Развитие представлений о пространстве и времени

Само по себе четырехмерное представление движения частицы может быть легко усвоено, оно кажется почти очевидным  и, в сущности привычным. Всем известно, что реальные события определяются четырьмя числами: тремя пространственными  координатами и временем, прошедшим  до события с начала летосчисления, или с начала года, или от начала суток. Будем откладывать на листе бумаги по горизонтальной прямой место какого-либо события - расстояние этого места от начального пункта, например расстояние до точки, достигнутой поездом, от станции отправления. По вертикальной оси отложим время, когда поезд достиг этой точки, измеряя его с начала суток или с момента выхода поезда со станции отправления. Тогда мы получим график движения поезда в двумерном пространстве, на географической карте, лежащей на столе, а время показывать вертикалями над картой. Тогда мы не обойдемся чертежом, понадобится трехмерная модель, например проволока, укрепленная над картой. Она будет трехмерным графиком движения: высота проволоки в каждой точке над лежащей картой будет изображать время, а на самой карте проекция проволоки изобразит движение поезда по местности. Изобразим теперь не только перемещение поезда на плоскости, но и его подъемы и спуски, т.е. его движение в трехмерном пространстве. Тогда вертикали уже не могут изобразить время, они будут означать высоту поезда над уровнем моря. Где е откладывать время - четвертое измерение? Четырехмерный график нельзя построить и даже нельзя представить себе. Но математика уже давно умеет находить подобные геометрические величины, пользуясь аналитическим методом, производя вычисления. В формулы и вычисления наряду с тремя пространственными измерениями можно ввести четвертое - время и, отказавшись от наглядности, создать таким образом четырехмерную геометрию.

Если бы существовала мгновенная передача импульсов и  вообще сигналов, то мы могли бы говорить о двух событиях, происшедших одновременно, т.е. отличающихся только пространственными  координатами. Связь между событиями  была бы физическим прообразом чисто  пространственных трехмерных геометрических соотношений. Но Эйнштейн в 1905 г. отказался  от понятий абсолютной одновременности  и абсолютного, независимого от течения  времени. Теория Эйнштейна исходит  из ограниченности и относительности  трехмерного, чисто пространственного  представления о мире и вводит более точное пространственно-временное  представление. С точки зрения теории относительности в картине мира должны фигурировать четыре координаты и ей должна соответствовать четырехмерная  геометрия.

В 1908 г. Миньковский представил теорию относительности в форме четырехмерной геометрии. Он назвал пребывание частицы в точке, определенной четырьмя координатами, "событием", так как под событием в механике следует понимать нечто определенное в пространстве и во времени - пребывание частицы в определенной пространственной точке в определенный момент. Далее он назвал совокупность событий - пространственно-временное многообразие -"миром", так как действительный мир развертывается в пространстве и во времени. Линию, изображающую движение частицы, т.е. четырехмерную линию, каждая точка которой определяется четырьмя координатами, Миньковский назвал "мировой линией".

Длина отрезка "мировой линии" инвариантна  при переходе от одной системы  отсчета к другой, прямолинейно и  равномерно движущейся по отношению  к первой. В этом и состоит исходное утверждение теории относительности, из него можно получить все ее соотношения.

Следует подчеркнуть, что геометрические соотношения, с  помощью которых Миньковский изложил теорию относительности, подчиняются Евклидовой геометрии. Мы можем получить соотношения теории относительности, предположив, что четырехмерное "расстояние" выражается таким же образом через четыре разности - три разности пространственных координат и время, прошедшее между событиями, - как и трехмерное расстояние выражается в евклидовой геометрии через разности пространственных координат. Для этого, как уже говорилось, необходимо только выразить время в особых единицах. Длина отрезка мировой линии определяется по правилам евклидовой геометрии, только не трехмерной, а четырехмерной. Ее квадрат равен сумме четырех квадратов приращений пространственных координат и времени. Иными словами, это - геометрическая сумма приращений четырех координат, из которых три - пространственные, а четвертая - время, измеренное особыми единицами. Мы можем назвать теорию относительности учением об инвариантах четырехмерной евклидовой геометрии. Поскольку время измеряется особыми единицами, то говорят о псевдоевклидовой четырехмерной геометрии.

Однородность  пространства выражается в сохранении импульса, а однородность времени - в сохранении энергии. Можно ожидать, что в четырехмерной формулировке закон сохранении импульса и закон  сохранения энергии сливаются в  один закон сохранения энергии и  импульса. Действительно, в теории относительности  фигурирует такой объединенный закон  импульса.

Однородность  пространства-времени означает, что  в природе нет выделенных пространственно-временных  мировых точек. Нет события, которое  было бы абсолютным началом четырехмерной, пространственно-временной системы  отсчета. В свете идей, изложенных Эйнштейном в 1905 г., четырехмерное расстояние между мировыми точками, т.е. пространственно-временной  интервал не будет меняться при совместном переносе этих точек вдоль мировой  линии. Это значит, что пространственно-временная  связь двух событий не зависит  от того, какая мировая точка выбрана  в качестве начала отсчета, и что  любая мировая точка может  играть роль подобного начала.

Однородность  пространства стала исходной идеей  науки после того, как Галилей  и Декарт, сформулировав принцип  инерции и принцип сохранения импульса, показали, что в мировом  пространстве нет выделенной точки - начала привилегированной системы  отсчета, что расстояния между телами и их взаимодействия не зависят от движения состоящей из этих тел материальной системы. Однородность времени стала  исходной идеей науки после того, как физика XIX века, сформулировав  принцип сохранения энергии, показала независимость процессов природы  от их смещения во времени и отсутствие абсолютного начала отсчета времени. Теперь исходной идеей науки становится однородность пространства-времени.

Разделение  на пространство и время не имеет  смысла. Пространство и время в  специальной теории относительности  трактуется с точки зрения реляционной  концепции. Однако когда Эйнштейн попытался  расширить концепцию относительности  на класс явлений, происходящих в  неинерциальных системах отсчёта, это  привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и 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 - времени и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, обобщённой теории с последующей её эмпирической интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.

Пространство  и время в общей теории относительности  и в релятивистской космологии.

В общей теории относительности были раскрыты новые  стороны зависимости пространственно-временных  отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства, и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Эйнштейн усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности: "физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением". Принцип эквивалентности помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. 

Как можно  представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень  тонкий лист резины, и будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие  шарики - модели звезд. Эти шарики будут  прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана). Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим мерка - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала - при таком же вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. 

Одной из причин создания общей теории относительности  было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчёта. Создание новой  теории началось с пересмотра концепции  пространства и времени в полевой  доктрине 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 всегда соответствует некоторый  отрезок определённой длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени. Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы  координат, всегда соответствует интервал времени определённой величины, независимо от места и времени". Специальная  теория относительности не затрагивала  проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а  в общей теории Эйнштейн непосредственно  обратился к органической взаимосвязи  материи, движения, пространства и времени.  

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  существует не само по себе, а только как структурное свойство поля". Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик  в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга, и возникло представление  о пространственно-временном четырехмерном  континууме.

Для общей  теории относительности до сих пор  актуальной 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 предсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.

Рассмотрим  далее релятивистскую космологию, именно с ней связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений  современной физики.

Классические  представления о Вселенной можно  охарактеризовать следующим образом: вселенная бесконечна и однородна  в пространстве и стационарна  во времени. Они являлись одним из следствий механики Ньютона - это  абсолютные пространство и время, последнее  по своему характеру евклидово. Такая модель казалась очень гармоничной и единственной, на уровне бытового сознания данная модель доминирует и в начале нашего 21-го века.

Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций  привели к неестественным выводам. Уже классическая космология требовала  пересмотра некоторых фундаментальных  положений (стационарность Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость пространства), чтобы преодолеть противоречия. 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 теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр  фундаментальных положений классической космологии: общая теория относительности  дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной. Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к признанию её однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.

Возможность для пространства и времени иметь  различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна ли вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.  

Вселенная Эйнштейна  представляет собой трёхмерную сферу - 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 и стремилась 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 представить как силы притяжения и отталкивания. 

Дальнейшее  развитие космологии оказалось связанным  не со статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита А. А. Фридманом. Метрические  свойства пространства оказались изменяющимися  во времени. Выяснилось, что Вселенная  расширяется. Подтверждение этого  было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который  наблюдал красное смещение спектра. Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием  и подчиняется закону Хаббла V=H*L, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. В связи с этим встают две важные проблемы: проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называние "разбегание галактик" - наглядное обозначение  раскрытой космологией нестационарности пространственной метрики. Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство.