150699 (Пространство и время. Принципы относительности. Необратимость времени), страница 2

Связь П. и в. с материей выражается не только в зависимости законов П. и в. от общих закономерностей, определяющих взаимодействия материальных объектов. Она проявляется и в наличии характерного ритма существования материальных объектов и процессов — типичных для каждого класса объектов средних времён жизни и средних пространственных размеров.

Из изложенного следует, что П. и в. присущи весьма общие физические закономерности, относящиеся ко всем объектам и процессам. Это касается и проблем, связанных с топологическими свойствами П. и в. Проблема границы (соприкосновения) отдельных объектов и процессов непосредственно связана с поднимавшимся ещё в древности вопросом о конечной или бесконечной делимости П. и в., их дискретности или непрерывности. В античной философии этот вопрос решался чисто умозрительно. Высказывались, например, предположения о существовании «атомов» времени (Зенон). В науке 17—19 вв. идея атомизма П. и в. потеряла какое-либо значение. Ньютон считал, что П. и в. реально разделены до бесконечности. Этот вывод следовал из его концепции пустых П. и в., наименьшими элементами которых являются геометрическая точка и момент времени («мгновения» в буквально смысле слова). Лейбниц полагал, что хотя П. и в. делимы неограниченно, но реально не разделены на точки — в природе нет объектов и явлений, лишённых размера и длительности. Из представления о неограниченной делимости П. и в. следует, что и границы тел и явлений абсолютны. Представление о непрерывности П. и в. более укрепилось в 19 в. с открытием поля; в классическом понимании поле есть абсолютно непрерывный объект.

Проблема реальной делимости П. и в. была поставлена только в 20 в. в связи с открытием в квантовой механике неопределённостей соотношения, согласно которому для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц. В действительности не существует реальных физических условий, при которых можно было бы измерить точное значение напряжённостей поля в каждой точке. Т. о., в современной физике установлено, что невозможна не только реальная разделённость П. и в. на точки, но принципиально невозможно осуществить процесс их реального бесконечного разделения. Следовательно, геометрическое понятия точки, кривой, поверхности являются абстракциями, отражающими пространственные свойства материальных объектов лишь приближённо. В действительности объекты отделены друг от друга не абсолютно, а лишь относительно. То же справедливо и по отношению к моментам времени. Именно такой взгляд на «точечность» событий вытекает из т. н. теории нелокального поля. Одновременно с идеей нелокальности взаимодействия разрабатывается гипотеза о квантовании П. и в., то есть, о существовании наименьших длины и длительности. Сначала предполагали, что «квант» длины — 10^-13 см (порядка классического радиуса электрона или порядка «длины» сильного взаимодействия). Однако с помощью современных ускорителей заряженных частиц исследуются явления, связанные с длинами 10^-14—10^-15 см; поэтому значения кванта длины стали отодвигать ко всё меньшим значениям (10^-17, «длина» слабого взаимодействия, и даже 10 ^-33 см).

Решение вопроса о квантовании П. и в. тесно связано с проблемами структуры элементарных частиц. Появились исследования, в которых вообще отрицается применимость к субмикроскопическому миру понятий П. и в. Однако понятия П. и в. не должны сводиться ни к метрическим, ни к топологическим отношениям известных типов.

Тесная взаимосвязь пространственно-временных свойств и природы взаимодействия объектов обнаруживается также и при анализе симметрии П. и в. Ещё в 1918 (Э. Нётер) было доказано, что однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, однородности времени — закон сохранения энергии, изотропности пространства — закон сохранения момента количества движения. Т. о., типы симметрии П. и в. как общих форм координации объектов и процессов взаимосвязаны с важнейшими сохранения законами. Симметрия пространства при зеркальном отражении оказалась связанной с существенной характеристикой микрочастиц — с их чётностью.

Одной из важных проблем П. и в. является вопрос о направленности течения времени. В ньютоновой концепции это свойство времени считалось само собой разумеющимся и не нуждающимся в обосновании. У Лейбница необратимость течения времени связывалась с однозначной направленностью цепей причин и следствий. Современная физика конкретизировала и развила это обоснование, связав его с современным пониманием причинности. По-видимому, направленность времени связана с такой интегральной характеристикой материальных процессов, как развитие, являющееся принципиально необратимым.

К проблемам П. и в., также обсуждавшимся ещё в древности, относится и вопрос о числе измерений П. и в. В ньютоновой концепции это число считалось изначальным. Однако ещё Аристотель обосновывал трехмерность пространства числом возможных сечений (делений) тела. Интерес к этой проблеме возрос в 20 в. с развитием топологии. Л. Брауэр установил, что размерность пространства есть топологический инвариант — число, не изменяющееся при непрерывных и взаимно однозначных преобразованиях пространства. В ряде исследований была показана связь между числом измерений пространства и структурой электромагнитного поля (Г. Вейль), между трехмерностью пространства и спиральностью элементарных частиц. Всё это показало, что число измерений П. и в. неразрывно связано с материальной структурой окружающего нас мира.

Основные понятия:

Пространственными характеристиками являются положения относительно др. тел (координаты тел), расстояния между ними, углы между различными пространственными направлениями (отдельные объекты характеризуются протяжённостью и формой, которые определяются расстояниями между частями объекта и их ориентацией). Временные характеристики — «моменты», в которые происходят явления, продолжительности (длительности) процессов. Отношения между этими пространственными и временными величинами называются метрическими. Существуют также и топологические характеристики П. и в. — «соприкосновение» различных объектов, число направлений. С чисто пространственными отношениями имеют дело лишь в том случае, когда можно отвлечься от свойств и движения тел и их частей: с чисто временными — в случае, когда можно отвлечься от многообразия сосуществующих объектов.

Однако в реальной действительности пространственные и временные отношения связаны друг с другом. Их непосредственное единство выступает в движении материи; простейшая форма движения — перемещение — характеризуется величинами, которые представляют собой различные отношения П. и в. (скорость, ускорение) и изучаются кинематикой. Современная физика обнаружила более глубокое единство П. и в., выражающееся в совместном закономерном изменении пространственно-временных характеристик систем в зависимости от движения последних, а также в зависимости этих характеристик от концентрации масс в окружающей среде.

Для измерения пространственных и временных величин пользуются системами отсчёта.

По мере углубления знаний о материи и движении углубляются и изменяются научные представления о П. и в. Поэтому понять физический смысл и значение вновь открываемых закономерностей П. и в. можно только путём установления их связей с общими закономерностями взаимодействия и движения материи.

Понятия П. и в. являются необходимой составной частью картины мира в целом, поэтому входят в предмет философии. Учение о П. и в. углубляется и развивается вместе с развитием естествознания и прежде всего физики. Из остальных наук о природе значительную роль в прогрессе учения о П. и в. сыграла астрономия и в особенности космология.

Развитие физики, геометрии и астрономии в 20 в. подтвердило правильность положений диалектического материализма о П. и в. В свою очередь диалектико-материалистическая концепция П. и в. позволяет дать правильную интерпретацию современной физической теории П. и в., вскрыть неудовлетворительность как субъективистского ее понимания, так и попыток «развить» её, отрывая П. и в. от материи.

Пространственно-временные отношения подчиняются не только общим закономерностям, но и специфическим, характерным для объектов того или иного класса, поскольку эти отношения определяются структурой материального объекта и его внутренними взаимодействиями. Поэтому такие характеристики, как размеры объекта и его форма, время жизни, ритмы процессов, типы симметрии, являются существенными параметрами объекта данного типа, зависящими также от условий, в которых он существует. Особенно специфичны пространственные и временные отношения в таких сложных развивающихся объектах, как организм или общество. В этом смысле можно говорить об индивидуальных П. и в. таких объектов (например, о биологическом или социальном времени).

2. Необратимость времени, как проявление асимметрии

Наибольший интерес исследователей в последние три десятилетия привлекает проблема направленности и необратимости (однонаправленности) времени, поскольку именно это свойство качественно отличает время от пространственных координат.

Необходимость исследования оснований однонаправленности времени следует из того, что все локальные (микроскопические) физические законы, известные на данный момент, симметричны по отношению к обращению времени. Однако на макроскопическом уровне наблюдается явная временная асимметрия всех явлений. Здесь необходимо заметить, что "жесткая" связь между существованием необратимых процессов и необратимостью времени не вполне корректна. Современная теоретическая физика, основанная на симметричных по времени уравнениях, дает множество модельных процессов, необратимое поведение которых сохраняется и при обращении времени. Так стационарная генерация второй гармоники волны, распространяющейся в среде с квадратичной нелинейностью, независимо от направления времени идет в сторону полного преобразования первой гармоники во вторую. Обратный же процесс распада второй гармоники не идет ни при каком направлении времени. Поскольку единственной причиной подобного поведения является нелинейность системы, можно было бы считать, что нелинейность возникает за счет необратимости времени, однако для возникновения нелинейности существует множество значительно менее экзотических причин, и приходится признать, что по крайней мере некоторые процессы могут быть необратимыми "сами по себе". Указанное обстоятельство не устраняет необходимости анализа оснований однонаправленности времени, поскольку необратимое поведение наблюдается и у систем, поведение которых достаточно хорошо описывается линейными уравнениями, и в этом случае о необратимости самих систем говорить не приходится. В современной литературе рассматриваются два возможных основания необратимости времени: номологическое и фактическое. В первом из них для обоснования однонаправленности времени считается необходимым физическое отличие его противоположных направлений. Причем это физическое отличие должно проявляться в асимметрии физических законов по отношению к обращению времени. Во втором из них однонаправленность наблюдаемых явлений (и, следовательно, однонаправленность времени) является следствием фактических условий протекания процессов. Физические законы в этом случае симметричны относительно обращения времени.

Позиция сторонников фактического основания необратимости времени достаточно полно сформулирована в /5/ следующим образом: "Из того, что законы физики не запрещают процессов, обратных данным, очевидно, логически не следует, что процессы эти фактически протекают. Последнее, видимо, зависит от определенных господствующих в мире или его части условий протекания процессов... Следовательно, время (номологически обратимое) является фактически обратимым тогда, когда существуют такие начальные или предельные условия в мире, при которых все процессы являются фактически обратимыми... Напротив, время (номологически обратимое) является фактически необратимым, когда существуют такие начальные или предельные условия в мире, при которых по меньшей мере некоторые процессы, то есть процессы определенного типа, являются необратимыми". Таким образом, при этом подходе вместо требования асимметрии физических законов появляется требование несимметричности начальных и граничных условий. Основная же трудность этого подхода заключается в необходимости объяснить, почему эти условия асимметричны для всех известных нам классов необратимых процессов. Весьма вероятно, что поиск источника несимметричности фактических условий протекания всех классов необратимых процессов в конечном счете сведется к существованию некоторых несимметричных по времени физических законов, которые обуславливают асимметрию фактических условий протекания процессов и физическое отличие противоположных направлений времени, то есть к номологическому обоснованию направления времени. Любая же попытка номологического обоснования однонаправленности времени должна в первую очередь отталкиваться от критического анализа понятия времени в философии и физике. В зависимости от принятой концепции, постановка вопроса о необратимости времени должна приобретать специфические черты, отражающие специфику выбранной модели времени. Очевидно, что возможные решения проблемы однонаправленности времени также должны отражать специфические черты принятой концепции. Поскольку в современной литературе отсутствует анализ специфических черт проявления однонаправленности времени в различных его концепциях, попытаемся сформулировать постановку проблемы необратимости времени и возможные ее решения, возникающие в рамках субстанциальной и реляционной концепций. В рамках реляционной концепции, утверждающей, что время – система отношений между физическими событиями, постановка вопроса о необратимости самого времени является бессмысленной. Понятие необратимости времени в этой концепции связывается с существованием в окружающем мире необратимых изменений.

Hаправление времени определяется направлением протекания необратимых процессов. Основной трудностью этого определения направления времени является то, что существует по крайней мере три класса необратимых процессов: электромагнитные, термодинамические и космологические, а в работе Р. Пенроуза /6/ рассмотрены семь несводимых на данном этапе друг к другу "стрел времени". Результатом связи направления времени с каким-либо одним типом необратимых процессов являются многочисленные утверждения о возможном обращении времени. Однако, в силу отсутствия известной нам связи между классами необратимых процессов, из обращения одного из них не следует обращение остальных и, следовательно, обращение времени. Единственным путем преодоления указанной трудности является поиск связей между различными классами необратимых процессов и, в конечном счете - некоторого материального фактора (назовем его, к примеру тау-поле), который, принимая участие во всех или по крайней мере в некоторых необратимых явлениях, обуславливал бы их необратимость. Поведение же самого тау-поля, очевидно, должно описываться асимметричными по времени уравнениями. Из всего вышесказанного отнюдь не следует, что тау-поле обязательно должно являться какой-то новой формой материи. Вполне возможно, что роль тау-поля может играть какое-либо из уже известных полей, при условии, что именно это поле обуславливает необратимость наблюдаемых явлений.

В рамках субстанциальной концепции постановка вопроса о необратимости самого времени становится вполне корректной. Поэтому в рамках этой концепции принципиально возможны два пути обоснования однонаправленности времени. Первый путь аналогичен решению этого вопроса в реляционной концепции и не затрагивает определения времени. Второй же путь заключается в развитии субстанциальной концепции. Не затрагивая основы концепции, считающей время особого рода субстанцией, определяющей длительность всех явлений и упорядочивающей события, можно дополнить определение времени, постулируя наличие у него других свойств, проявление которых заключается в том, что время, "само по себе" необратимое, обуславливает необратимость всех или по крайней мере некоторых наблюдаемых явлений. То есть процессы происходят не только во времени, но и с участием времени /7/. Предположение о наличии у времени физических свойств, помимо длительности и упорядоченности, в рамках субстанциальной концепции является вполне естественным, хотя и несколько непривычным. Однако никто уже не считает странным, что, например, элементарные частицы могут обладать массой, зарядом, спином, магнитным моментом и т.д., являясь в то же время вполне определенными объектами.

Таким образом, существует два пути обоснования однонаправленности времени. Первый - поиск материального фактора, обуславливающего необратимость по крайней мере некоторых классов необратимых процессов; второй - предположение о том, что необратимость - это свойство самого времени и что само время обуславливает необратимость по крайней мере некоторых классов процессов. Рассмотренная специфика проявления однонаправленности времени не накладывает никаких ограничений на то, каким образом формируется необратимое поведение реальных систем. Однако ввиду объективности времени должны существовать некоторые, общие для всех концепций, основания его необратимости. Анализ этих оснований позволяет установить, что может быть источником необратимости процессов.

К общим основаниям необратимости времени следует, видимо, отнести асимметрию причинно-следственных (ПС) отношений, поскольку именно эта асимметрия в явном или неявном виде используется как независимый постулат в качестве критерия правильного временного порядка. Именно на основании принципа причинности, например, отбрасываются решения волновых уравнений в виде опережающих потенциалов. Однако, несмотря на то, что в философских исследованиях, за редкими исключениями, асимметрию ПС отношений однозначно связывают с направленностью и необратимостью времени, в существующих физических теориях ПС отношения симметричны, что и выражается симметрией локальных физических законов относительно обращения времени. Сам же принцип причинности используется только для упорядочивания во времени причинно связанных событий.