Дисертация (Философско-методологический анализ эволюции понятия «пространство-время» в физике XX века), страница 7

Эта трудность не нова в том смысле, что требованиеадекватного отражения мира или каких-то его сторон, фрагментов являетсянеобходимым требованием для любой научной теории, но она усугубляетсятем, что объект исследования (пространство-время) одновременно можетпринадлежать качественно различным областям действительности (мега-,макро- и микромиру). В современной физике фактически сосредотачиваетсяучение о простейших и наиболее общих свойствах и явлениях внешнегомира, чем и определяется её ведущая роль в познании природы.

В качестведополнительного критерия требуется выход к реальной действительности,выход к практике.В познании природы пространства-времени содержится ключ крешению многих фундаментальных проблем и в настоящее время интерес кизучениюпространства-временивозрастает.Дляэтихисследований34характерно детальное и углубленное изучение свойств пространствавремени. В следующем параграфе рассмотрим универсальные метрические итопологические свойства пространства-времени в контексте возникновениярелятивистской физики.1.2.Универсальные свойства концепта «пространства-времени»Изучение пространственно-временных свойств в физической наукереализует как преемственность воззрений на них в классической науке, так ипринципиальные новации, связанные с появлением релятивистских иквантовых представлений в начале ХХ века. Пользуясь понятиямиклассической физики, квантовая механика по-особенному характеризуетвозможности экстраполяции пространственно-временных представлений измакромира в область микромира.

Фундаментальные представления озакономерностях природы определяют границы применимости той или инойтеории.Скажем,специальнаяпространственно-временноетеорияописанияотносительности,событий,выделяетиспользуяосновныехарактеристики движения электромагнитных волн без их динамическогоаспекта, акцентируя внимание на соотношении между длиной волны ипериодом (частотой) световой волны. Поэтому геометрия световых лучейвыделяет на первый план и даёт достаточно точную характеристикупространственно-временным свойствам в псевдоевклидовой метрике.Например,Г.Минковский(1864‒1909),развиваятеориюотносительности А.

Эйнштейна в форме четырёхмерной геометрии, ввел втеорию понятие мировой точки – единство трёх пространственных координати четвёртой координаты, выражающей особым образом время. Выявлениепространственно-временного сосредоточения частицы, это определениемировой точки, в которой эта частица располагается в лоне пространстваМинковского. Абстрактно выражаясь, соотнесение положения частицы вопределённойинерциальнойсистемеотсчётавмоментвремени,35фиксируемым показанием часов, придаёт смысл пространственно-временнойлокализации. Теория относительности рассматривает существование такихтел отсчёта, которые в принципе можно использовать для измерениякоординаты движущейся частицы. Фиксируя пространственные координатычастицы и её временную координату – время её движения, начиная сначального местоположения, – можно представить движение частицы какряд мировых точек, как мировую линию.

С этой точки зрения, структурамира – это каркас мировых линий частиц. При этом релятивистская теорияустановила факт многообразия форм симметрии и асимметрии пространстваи времени, в которых материализуется единство математической ифизическо-теоретическая структуры пространства-времени.Релятивистскаяфизикаотрицаетбесконечнуюскоростьраспространения сигналов и передачу энергии из одной точки пространства вдругую, в какой бы форме они ни происходили. Скорость света – граница,предел скоростей тождественных себе тел, ограничение скоростей всехпроцессов передачи энергии и импульса, всех процессов, соединяющихсобытия, из которых одно находится в корреляции с другим.Эйнштейн и Минковский показали, что, построив четырёхмернуюгеометрию,аналогичнуюпсевдоевклидовуевклидовойгеометрию),мыгеометрииполучаем(такназываемуюгеометрическуюсхему,описывающую движения материальных точек. Кроме того, можно отметить,что любое событие определяется координатами.

В частности, Эйнштейн иМинковскийделалиупорименнонапространственно-временныекоординатные системы: четырёхмерное пространство получило названиечетырёхмерного мира, или пространства-времени Минковского. Последнийутверждал, что само по себе пространство и время самостоятельно несуществуют,афизическийсмыслсохраняетихнекотораяформаобъединения в виде «пространства-времени». Более того, он заявил: «Отнынепространство само по себе и время само по себе должны полностью статьтенями и лишь некоторый вид объединения обоих должен еще сохранить36самостоятельность» [172, с.

167]. Данный аспект подробно раскрыт в статьеВ.Н. Князева и О.Е. Кадеевой «Эпистемологическая природа концепта«пространство-время»» [128, 1321].Идеи Минковского основывались на естественности постоянстваскорости света и обоснованным Эйнштейном единстве понятий пространстваи времени. Минковский же показал, что принцип постоянства скорости светалегко выражается математически, то есть в чисто геометрической форме. Онввел в науку понятие «события» как нахождения частицы в конкретныймомент в конкретной пространственной точке и закрепил «событие» в видеточкисчетырьмякоординатами(трикоординатыпространства–расположение «события» – и четвёртая координата, указывающая время«события»). Такую точку Минковский назвал мировой точкой.

Движениепредставляется строгой совокупностью мировых точек – мировой линией, аих полный комплекс абсолютно включает в себя все вероятные «события».То есть всё, что происходит или может произойти, соответствует всемчетырёхмерным мировым точкам – четырёхмерному пространству-времени,которое Минковский назвал миром событий (как реальных – времениподобных), так и виртуальных – пространственно-подобных). Такоечетырёхмерное представление о движении выдвигалось им уже в трактовкетеории относительности в 1908 году.Следует подчеркнуть, что вышесказанное имеет в своей основеформулировку постулатов теории относительности.

Первый постулат –специальный принцип относительности. Согласно этому принципу законыприроды, которым подчиняются не только механические (классическийпринцип относительности), но и электромагнитные явления, остаютсянеизменными (ковариантными) во всех инерциальных (то есть находящихсяв состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения друготносительно друга) системах отсчета [202, с.

135‒142]. В самом деле, всезаконыфизикипредставляютсобойфункциональныесоотношения,представленные в виде математических уравнений, которые описывают37изменения одних физических параметров в зависимости от изменениядругих, в частности в зависимости от изменения пространственных ивременных характеристик.В классическом принципе относительности чётко определено, чторавномерно движущийся наблюдатель никогда не сможет при помощимеханических измерений узнать что-нибудь о скорости своего движения, ивообще нет возможности указать такую точку в мировом пространстве,относительно которой можно утверждать, что она находится в абсолютномпокое [193, c.

69].Вторымфундаментальнымпринципомтеорииотносительностиявляется утверждение, что скорость света в вакууме во всех инерциальныхсистемах отсчета одинакова и, следовательно, в природе не можетсуществовать материальных процессов, скорость осуществления которыхпревышала бы скорость света в вакууме. Этот постулат именуетсяпринципом предельности скорости света, и он тесным образом связан соспециальнымпринципомотносительности.Обапринципатеорииотносительности весьма значимы. Относительность в теории пространства ивремени есть относительность к системе отсчёта; в квантовой же физике (какбудет обосновано ниже) относительность к средствам наблюдения требуетприменения принципа дополнительности [137, c. 650].Теория относительности Эйнштейна элиминировала из картины мира илоренцев эфир, но при этом теория относительности не стирает полностьюфизическиеразличиямеждупространствомивременем.Движениеотносительно эфира – бессодержательное понятие, так как все физическиепроцессы (в том числе и механические) протекают единообразно во всехсистемах, которые двигаются без ускорения одна относительно другой.

Вотличие от классического принципа относительности, в теории Эйнштейнавзаимозаменяемыми и равноправными предполагаются и механическиепроцессывразличныхинерциальныхсистемахотсчётаисамораспространение света. Постоянство скорости света в этих системах означает38изменение пространственных и временных масштабов при переходе от однойсистемы к другой, и инвариантом такого преобразования будет служитьчетырёхмерныйинтервал.ПреобразованияЛоренца,такимобразом,оставляют постоянным путь между несколькими взаимодействующимиточками в четырёхмерном мире, то есть путь между мировыми точками.ПоэтомупреобразованияЛоренцаопределяютсяповоротомсистемыкоординат в четырёхмерном пространстве и физические законы описываютсяуравнениями для четырёхмерных тензоров.Так как скорость света в пустоте постоянна, то мировые линии света вчетырёхмерном псевдоэвклидовом пространственно-временном континуумеостаются тоже постоянными и имеют один и тот же постоянный угол поотношению к оси времени, образуя световой конус; то есть эти мировыелинии ограничены поверхностью так называемого светового конуса.Мировая линия – это такая линия, на которой лежит всё многообразиесобытий, соотносящееся с некоторым непрерывным процессом.

Используя заоснову четырёхмерное линейное пространство, появляется возможностьпостроить множество разнообразных типов псевдоевклидовых пространств.При этом действительное (реальное) пространство будет иметь такие желинейные и метрические свойства, что и псевдоевклидово четырёхмерноепространство, взятое основным.По предположениям теории относительности, относящихся к процессунаблюдения, его основные составляющие, такие как интервалы времени идлины, должны реализовываться с учётом характера и процесса перемещенияобъекта наблюдения. Само происходящее событие должно быть закрепленоза конкретной системой отсчёта, в которой нельзя объединять всевозможныесуществующие пространства. Иными словами, в специальной теорииотносительности выдвигается в качестве исходного положения мысль офиксируемойпоследовательностиинерциальныхсистемотсчётакаккомплекса (континуума) в одинаковой мере равномерно и прямолинейноперемещающихся наблюдателей [176, c.

36].39Идеи Г. Минковского об объединённом «пространстве-времени»позволили с иной точки зрения рассмотреть свойства мира в условияхкосмического масштаба, в частности, по-новому начать изучение эволюцииВселенной в целом. Минковский математически показал, что теорияЭйнштейна может быть интерпретирована как новая геометрическая теорияВселенной,врассматриватьсякоторойкакпространствоосновнойивремясовместнодолжныобъект.Понятиегеометрическийодновременности, которое интуитивно представляется чем-то таким, что недолжно зависеть от какого-либо движения, вполне достоверно, когдапредметы находятся в одной и той же точке пространства. Однако этопонятие согласно специальной теории относительности перестаёт бытьдостоверным, если указанные предметы разделены большими расстояниямииеслиречьидётоботносительныхдвиженияхсоскоростями,приближающимися к скорости света.

Релятивистское движение приводит кэффекту сокращения длины и замедлению темпа времени: оба этиобстоятельстваучтенывпреобразованияхЛоренца,которыедаютинвариантное описание физических явлений, описание, не зависящее отхарактера относительного равномерного (или инерциального) движения,одинаково пригодное как для одной системы, так и для другой.Релятивистские эффекты преобразования скорости показывают, что еслисложить две скорости, близкие к скорости света, то удаётся, лишь несколькоприблизиться к ней, но никогда не достичь её или, тем более, превзойти [192,c.20‒21].Необходимоэкспериментов,связанныхпомнить,счтопроявлениемподавляющеебольшинстворелятивистскихэффектов,являются мысленными.В специальной теории относительности физической реальностьюобладают не сама точка пространства и её момент времени, когдаосуществляется процесс движения, а только само событие.