Современные теории пространства и времени

          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. 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.

Пространство и время на уровне микромира.

          В квантовой механике была найдена принципиальная граница применимости классических физических представлений к атомным явлениям и процессам. В квантовой физике была поставлена  важная проблема о необходимости пересмотра пространственно – временных представлений  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 универсального кванта действия h. Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не создана обобщающая теория.

           В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют 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   оказываются  несколько  иными, чем в физике макромира.

          В этой области  по-иному следует понимать природу пустоты - вакуум. В квантовой   электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и  поглощающихся фотонов и других частиц. На этом уровне 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.

          На субатомном уровне структурной организации материи определяющую роль играют сильные взаимодействия элементарных частиц. Здесь  иные   пространственно - временные понятия. Так, специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части  и целого.  Ещё  более радикальных изменений  пространственно - временных представлений требует переход к исследованию   процессов, характерных для слабых взаимодействий. Поэтому на 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 и времени. Одно направление связано с изменением  представлений о прерывности и непрерывности пространства и времени, а второе - с гипотезой о возможной макроскопической природе пространства и времени.

          Рассмотрим более подробно эти направления.

         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 квантовой механики учёные попытались объединить эти две фундаментальные теории. Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое 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 была квантовая  электродинамика, включающая в себя описание взаимодействий электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная ветвь теории  элементарных частиц,  которая достигла высокого уровня развития и известной завершённости. Она является локальной теорией, в ней функционируют заимствованные понятия классической физики, основанные на концепции пространственно - временной непрерывности: точечность заряда, локальность поля, точечность взаимодействия и т. д.

          Наличие этих понятий влечёт 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 преодолеть путём введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени. Такой подход намечает выход из  неопределённости  бесконечности, так как содержит фундаментальную длину -  основу атомистического пространства.

          В физике микромира широкое развитие получило также направление, 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.  Второй основан 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 которому прилагается свойство элементарности,  но и  с пересмотром самой диалектики  элементарного и сложного  в  микромире. Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле: они похожи на классические сложные системы, но они  не являются этими системами. В элементарных частицах сочетаются противоположные свойства элементарного и сложного.

          Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечёт за собой изменение наших представлений о структуре пространства - времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения "раньше" и "позже". В области нелокального взаимодействия события связаны в некий "комок",  в котором они  взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.

          Таково принципиальное положение дел, сложившееся в представление о пространстве – времени на микроуровне, 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 теории новой константы размерности  длины - элементарной длины. С этим "атомом" пространства связан и элементарный момент  времени (хронон), и именно в соответствующей им пространственно - временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц. Теория дискретного  пространства - времени продолжает развиваться.

          Открытым остаётся вопрос о внутренней структуре "атомов" пространства и роли (наличии) времени и пространства в них.