Пространство и время в физике


Сдавался/использовался	1. Саpатовский госyнивеpситет, 1994.
	Загрузить архив:
	Файл: 240-0796.zip (22kb [zip], Скачиваний: 77) скачать

Министерство науки, высшей школы и технической политики

Российской федерации

Саратовский ордена трудового красного знамени государственный

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.

СОДЕРЖАНИЕ

лист

ВВЕДЕНИЕ 2

1. Развитие пространственно-временных представлений

в классической механике 3

2. Пространство и время в теории относительности

Альберта Эйнштейна 8

2.1. Специальная теория относительности 8

2.2. Пространство и время в общей теории

относительности и релятивистской

космологии 10

3. Пространство и время в физике микромира15

3.1. Пространственно-временные представления

квантовой механики 15

3.2. Прерывность и непрерывность пространства и

времени в физике микромира 18

3.3. Проблема макроскопичности пространства и

времени в микромире 20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23

ЛИТЕРАТУРА 24

ВВЕДЕНИЕ.

Диалектическийматериализм исходитиз того, что "в мире

нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материяне

может двигаться иначе, как впространствеи вовремени"(*).

Пространство и время, следовательно, выступают фундаментальными

формами существования материи. Классическая физика

рассматривала пространственно - временной континуум как

универсальнуюарену динамики физических объектов. Однако

развитие неклассической физики( физикиэлементарных частиц,

квантовойфизики идр. )выдвинуло новыепредставленияо

пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно

связаны между собой. Возникли разные концепции: согласно одним,

вмире вообщеничего нет, кромепустого искривленного

пространства, а физические объекты являются только проявлениями

этогопространства. Согласнодругим,пространство ивремя

присущи лишь макроскопическим объектам.

Как видно,современнаяфизика настолькоразросласьи

потеряла единство, что в ее различных разделах существуют прямо

противоположные утверждения о природе и статусе пространства и

времени. Этот факт требуеттщательного исследования,таккак

можетпоказаться, что представления современной физики

противоречат фундаментальным положениям диалектического

материализма.

Правда, следует отметить,что всовременной физикеречь

идет о пространстве и временикак о физических понятиях, как о

конкретных математических структурах, наделенных

соответствующими семантическими и эмпирическими интерпретациями

в рамках оределённых теорий, и чтовыяснениемакроскопичности

подобныхструктур неимеетпрямого отношениякположению

диалектического материализма об универсальности пространства и

времени, так как в этом речь идет уже о философских категориях.

Начинать исследование целесообразно с представлений

античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития

пространственно - временных представлений вплоть до наших дней.

─────────

(*) Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181.

1. РАЗВИТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННЫХ

ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ.

В анализеантичныхдоктрин опространствеи времени

остановимся на двух:атомизме Демокрита исистеме Аристотеля.

Атомистическаядоктрина была развита материалистами

Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этой доктрины,

всёприродное многообразиесостоитиз мельчайшихчастичек

материи( атомов),которые двигаются, сталкиваются и

сочетаются впустом пространстве. Атомы ( бытие ) ипустота (

небытие ) являются первоначалами мира. Атомы не возникают ине

уничтожаются,их вечность проистекает из безначальности

времени.Атомы двигаются в пустоте бесконечное время.

Бесконечному пространству соответствует бесконечное время.

Сторонники этойконцепции полагали, что атомыфизически

неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты. Множество

атомов, которые не разделяютсяпустотой, превращаются в один

большой атом, исчерпывающий собой мир.

Сама жеконцепциябыла основанана атомах, которыев

сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира.В

основеэтих атомовлежатамеры ( пространственныйминимум

материи). Отсутствиеуамеров частей служит критерием

математической неделимости. Атомы нераспадаютсяна амеры, а

последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с

представлениями современной физики о кварках.

Характеризуя систему Демокритакактеотию структурных

уровнейматерии -физического( атомы и пустота ) и

математического( амеры ), мы сталкиваемся с двумя

пространствами: непрерывное физическое пространство как

вместилище и математическоепространство, основанное на амерах

как масштабных единицах протяжения материи.

В соответствиис атомистическойконцепцией пространства

Демокритрешал вопросыоприроде времениидвижения. В

дальнейшем они былиразвитыЭпикуром всистему.Эпикур

рассмотривал свойства механического движения исходя из

дискретного характера пространстваивремени. Например,

свойство изотахии заключается в том, чтовсеатомы движутся с

одинаковой скоростью. Наматематическом уровнесуть изотахии

состоит в том, что в процессе перемещенияатомыпроходят один

"атом" пространства за один "атом" времени.

Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа

пространстваи времени.В их представлениях были реализованы

субстанциальная и атрибутивная концепции.

Аристотель начинает анализ с общего вопросао

существовании времени,затемтрансформируетего ввопрос о

существованииделимого времени.Дальнейшийанализ времени

ведётся Аристотелемуже нафизическом уровне,гдеосновное

внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотель

показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но

оно не есть и само движение.

В такой модели времени реализована реляционная концепция.

Измерить времяи выбрать единицы его измерения можно с помощью

любогопериодическогодвижения, но, для того чтобы полученная

величина была универсальной, необходимо использовать движение с

максимальнойскоростью. Всовременнойфизике этоскорость

света, в античной и средневековой философии - скорость движения

небесной сферы.

Пространстводля Аристотеля выступает в качестве некоего

отношенияпредметов материальногомира,оно понимается как

объективная категория, как свойство природных вещей.

Механика Аристотеля функционировалалишьв его модели

мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. 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 наземной и небесныйуровни. Земнойсостоит из

четырёх стихий -земли, воды, воздухаи огня; небесный-из

эфирныхтел, пребывающихвбесконечном круговомдвижении.

Этамодель просуществовала около двух тысячелетий.

Однако всистеме Аристотеля былии другие положения,

которые оказались болеежизнеспособными и во многом определили

развитиенауки вплотьдонастоящего времени.Речьидёт о

логическом учении Аристотеля на основе которого были

разработаныпервые научныетеории,в частности геометрия

Евклида.

В геометрииЕвклида нарядус определениямии аксиомами

встечаютсяи постулаты, чтосвойственнобольше физике, чем

арифметике.В постулатахсформулированыте задачи, которые

считалисьрешёнными. Втакомподходе представлена модель

теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая системаи

эмпирический базис связываются операционными правилами.

Геометрия Евклида является первой логической системой понятий,

трактующихповедение каких-топриродныхобъектов. Огромной

заслугой Евклидаявляется выборв качествеобъектовтеории

твёрдого тела и световых лучей.

Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины

миракак в эмпирическом, так и в теоретико-логическом плане. С

помощьютелескопа он нагляднопоказал насколько глубоки были

революционныепредставления Н. Коперника, который развил

гелиоцентрическую модельмира. Первымшагом развитиятеории

Коперника можно считать открытия И.Кеплера:

1. Каждаяпланета движетсяпоэллипсу, водном из фокусов

которого находится Солнце.

2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-вектором планеты,

изменяется пропорционально времени.

3. Квадраты времён обращения планет вокруг Солнца относятся как

кубы их средних расстояний от Солнца.

Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания

концепцийпространства и инерции: уГалилея признаётся пустое

пространство и круговое инерциальноедвижение, Декарт дошёл до

идеи прямолинейногоинерциальногодвижения, но отрицал пустое

пространство, и толькоНьютонобъединил пустое пространство и

прямолинейное инерциальное движение.

Для Декартане характереносознанный и систематический

учётотносительности движения. Егопредставления ограничены

рамками геометризации физических объектов, ему чужда

ньютоновскаятрактовка массы как инерциального сопротивления

изменению. ДляНьютонаже характерна динамическаятрактовка

массы, и вего системеэтопонятие сыграло основопологающую

роль. Тело сохраняетдля Декарта состояние движения или покоя,

ибоэто требуется неизменностью божества. Тожесамое

достоверно для Ньютона вследствие массы тела.

Понятия пространстваивремени вводятсяНьютономна

начальномуровне изложения, азатем получают своё физическое

содержание с помощью аксиом через законы движения. Однако они

предшествуютаксиомам, так как служат условием для реализации

аксиом:законы движенияклассической механики справедливы

винерциальных системахотсчёта,которые определяютсякак

системы,движущиеся инерциальнопоотношению к абсолютному

пространству ивремени.У Ньютона абсолютноепространство и

время являются ареной движения физических объектов.

После выхода в свет "Начал" Ньютона физика начала активно

развиваться, причём этот процесс происходил наоснове

механистическогоподхода. Однако, вскоре возникли разногласия

междумеханикой и оптикой, которая неукладываласьв

классические представления о движении тел.

После того, как физики пришли квыводу о волновой природе

света возникло понятие эфира- средывкоторой свет

распространяется.Каждая частица эфира могла быть представлена

как источник вторичныхволн,и можно было объяснитьогромную

скорость света огромнойтвёрдостью и упругостьючастиц эфира.

Инымисловами эфир был материализацией Ньютоновского

абсолютногопространства. Ноэто шло вразрез с основными

положениями доктрины Ньютона о пространстве.

Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось,

чтоскорость светаконечна и равнапримерно 300'000 км/с.В

1728году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основе

этихоткрытий было установлено, что скорость света не зависит

от движения источника и/или приёмника.

О.Френель показал,что эфир может частично увлекаться

движущимисятелами, однако опытА.Майкельсона (1881г.)

полностьюэто опроверг. Такимобразом возникланеобъяснимая

несогласованность,оптические явлениявсёхуже сводились к

механике.Но окончательно механистическую картину мира

подорвало открытие Фарадея - Максвелла: свет оказался

разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные

экспериментальные законынашлиотражение в системеуравнений

Максвелла, которые описывают принципиально новые

закономерности. Ареной этих законовявляется всё пространство,

а не одни точки, в которыхнаходитсявещество или заряды, как

это принимается для механических законов.

Так возникла электромагнитнаятеория материи.Физики

пришлик выводуосуществовании дискретных элементарных

объектовв рамках электромагнитной картины мира (электронов).

Основные достижения вобластиисследования электрических и

оптическихявлений связаныс электронной теорией Г.Лоренца.

Лоренц стоял на позицииклассической механики. Он нашёл выход,

который спасалабсолютноепространство и времяклассической

механики, а также объяснялрезультат опыта Майкельсона, правда

ему пришлось отказатьсяотпреобразований координат Галилея и

ввести свои собственные, основанныена неинвариантности

времени. t'=t-(vx/c¤), гдеv - скоростьдвижениясистемы

относительноэфира, а х - координататойточки в движущейся

системе, в которой производитсяизмерение времени. Время t' он

назвал "локальным временем". На основе этой теории виден эффект

изменения размеров телL2/L1=1+(v¤/2c¤). СамЛоренц объяснил

этоопираясь насвоюэлектронную теорию:телаиспытывают

сокращение вследствие сплющивания электронов.

Терия Лоренцаисчерпала возможности классической физики.

Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных

концепций классическойфизики, отказа от принятия каких - либо

выделенныхсистем отсчёта,отказаот абсолютного движения,

ревизии концепции абсолютногопространства и времени. Это было

сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна.

_______

2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА.

2.1. Специальная теория относительности.

В теорииотносительности Эйнштейнавопрос о свойствах и

структуреэфира трансформируется в вопрос о реальностисамого

эфира.Отрицательные результаты многих экспериментовпо

обнаружениюэфира нашлиестественное объяснение втеории

относительности - эфир не существует.Отрицаниесуществования

эфираи принятие постулатао постоянствеипредельности

скорости света леглив основу теории относительности, которая

выступает как синтез механики и электродинамики.

Принцип относительностиипринцип постоянства скорости

светапозволили Эйнштейнуперейтиот теории Максвелладля

покоящихся телк непротиворечивой электродинамике движущихся

тел.Далее Эйнштейнрассматриваетотносительностьдлини

промежутковвремени, что приводитегок выводу отом, что

понятие одновременности лишено смысла: " Двасобытия,

одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже

невоспринимаются как одновременныеприрассмотрении из

системы, движущейся относительно данной ". Возникает

необходимость развить теорию преобразования координат и времени

от покоящейсясистемык системе, равномерноипрямолинейно

движущейся относительнопервой. Эйнштейн пришел к формулировке

преобразований Лоренца:

x-vt t-vx/c¤

x'=─────────, y'=y, z'=z, t'=──────────,

√1-v¤/c¤ √1-v¤/c¤

где x, y, z, t - координаты в одной системе, x', y', z', t' - в

другой.

Из этихпреобразованийвытекает отрицание неизменности

протяжённостии длительности,величинакоторых зависитот

движения системы отсчёта:

________ dt0

l=l0√1-v¤/c¤, dt=──────────

√1-v¤/c¤

Вспециальной теории относительности функционирует новый закон

сложения скоростей, из которого вытекает невозможность

превышения скорости света.

Коренным отличиемспециальнойтеории относительности от

предшествующех теорий являетсяпризнаниепространства и

временив качестве внутреннихэлементов движения материи,

структура которых зависитот природы самого движения, является

его функцией. ВподходеЭйнштейна преобразованияЛоренца

оказываются связанными сновымисвойствами пространства и

времени: сотносительностьюдлины и временного промежутка, с

равноправностью пространства ивремени,с инвариантностью

пространственно - временного интервала.

Важный вклад в понятие "равноправность" внёс Г.Минковский.

Онпоказал органическую взаимосвязь пространства ивремени,

которые оказались компонентами единого четырёхмерного

континуума. Разделение на пространство и время не имеет смысла.

Пространство и время в специальнойтеории относительности

трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако было бы

ошибочнымпредставлять пространственно- временную структуру

новой теории как проявление одной лишь концепции

относительности. ВведениеМинковским четырёхмерного формализма

помогло выявить аспекты"абсолютногомира", заданногов

пространственно - временном континууме.

В теории относительности, как ив классической механике,

существуют два типа пространстваивремени, которые реализуют

субстанциальнуюи атрибутивную концепции.В классической

механикеабсолютные пространство и время выступали в качестве

структурымира на теоретическомуровне. В специальной теории

относительности аналогичным статусом обладает единое

четырёхмерное пространство - время.

Переход отклассическоймеханики кспециальной теории

относительностиможно представитьтак:1) на теоретическом

уровне- это переход от абсолютных и субстанциальных

пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому

пространству - времени, 2) наэмпирическом уровне - переход от

относительных и экстенсионныхпространства и времени Ньютона к

реляционному пространству и времени Эйнштейна.

Однако, когда Эйнштейн пытался расширитьконцепцию

относительности на класс явлений, происходящих в

неинерциальных системах отсчёта, этопривело к созданиюновой

теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д.

Он был вынужденприбегнуть к помощииного методапостроения

физических теорий, в котором первичным выступает теоретический

аспект.

Новая теория - общаятеорияотносительности - строилась

путёмпостроения обобщённого пространстваи перехода от

теоретической структурыисходнойтеории - специальнойтеории

относительности - ктеоретическойструктуре новой, обобщённой

теории с последующейеё эмпирическойинтерпретацией. Далее мы

рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей

теории относительности.

2.2. Пространство и время в общей теории

относительности и в релятивистской космологии.

Одной из причин создания общей теории относительности было

желание Эйнштейнаизбавить физикуот необходимостивведения

инерциальной системы отсчёта. Созданиеновой теории началось с

пересмотра концепциипространства и времени в полевой доктрине

Фарадея- Максвеллаиспециальной теорииотносительности.

Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который

остался незатронутым.Речь идет о следующем положении

специальной теории относительности: "...двум выбранным

материальным точкам покоящегосятелавсегда соответствует

некоторыйотрезок определённой длины, независимо какот

положения и ориентации тела, так и отвремени. Двум отмеченным

показаниям стрелкичасов,покоящихся относительно некоторой

системыкоординат, всегда соответствует интервал времени

определённой величины, независимо от места и времени".

Следует отметить,чтов общейтеории относительности

находит наиболее полное воплощение представление

диалектическогоматериализма опространствеи временикак

формах существования материи. Специальная теория

относительности не затрагивала проблему воздействия материи на

структурупространства-времени,а вобщейтеории Эйнштейн

непосредственно обратилсякорганической взаимосвязи материи,

движения, пространства и времени.

Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной

и тяжёлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на

базе которого можно объяснить загадку гравитации.

Проанализировавопыт Этвеша, Эйнштейнобобщил его результат в

принципэквивалентности:" физически невозможно отличить

действие однородного гравитационногополя и поля, порождённого

равноускоренным движением".

Принцип эквивалентности носит локольный характер и, вообще

говоря, невходит в структуру общей теории относительности. Он

помогсформулировать основныепринципы, на котрыхбазируется

новаятеория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о

взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Кроме них

Эйнштейн выдвинул рядматаматических гипотез, без которых

невозможно было бы вывести гравитационныеуравнения:

пространство четырёхмерно, его структура опрелеляется

симметричным метрическим тензором,уравнения должныбыть

инвариантными относительно группы преобразований координат.

В работе"Относительность и проблема пространства"

Эйнштейн специальнорассматриваетвопрос о спецификепонятия

пространствав общей теорииотносительности. Согласно этой

теории пространство не существует отдельно,как нечто

противоположное "тому, чтозаполняетпространство"ичто

зависитот координат. "Пустое пространство, т.е. пространство

без поляне существует. Пространство-время существует не само

по себе, а только как структурное свойство поля".

Для общейтеории относительностидо сих пор актуальной

является проблема переходаоттеоретических кфизическим

наблюдаемым величинам. Теорияпредсказалаи объяснила три

общелелятивистских эффекта: былипредсказаныи вычислены

конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было

педсказано и обнаружено отклонениесветовых лучей звёзд при их

прохождении вблизиСолнца, былпредсказан и обнаружен эффект

красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.

Рассмотрим далеедванаправления, вытекающихиз общей

теории относительности: геометризацию гравитации и

релятивистскуюкосмологию, т.к. сними связано дальнейшее

развитиепространственно-временныхпредставлений современной

физики.

Геометризация гравитации явиласьпервымшагом на пути

создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля

предприняв Г.Вейль.Онаосуществлена за рамкамиримановской

геометрии. Однако данноенаправление не привело к успеху. Были

попыткиввести пространстваболеевысокой размерности. чем

четырёхмерное пространственно-временное многообразиеРимана:

Калуца предложилпятимерное, Клейн- шестимерное,Калицын -

бесконечное многообразие. Однако таким путём решить проблему не

удавалось.

На путипересмотра евклидовойтопологии пространства-

временистроится современная единаятеория поля - квантовая

геометродинамика Дж. Уитлера. В этой теорииобобщение

представлений о пространстве достигает оченьвысокой степени и

вводится понятие суперпространства, как арены действия

геометродинамики.При такомподходекаждому взаимодействию

соответствует своя геометрия,и единство этих теорий

заключаетсяв существованииобщегопринципа, по которому

порожнаются данныегеометрии и "расслаиваются" соответствующие

пространства.

Поиски единых теорийполя продолжаются. Что касается

квантовой геометродинамикиУитлера, топеред нейстоитещё

более грандиозная задача - постичьВселенную и элементарные

частицы в их единстве и гармонии.

Доэйнштейновские представления о Вселенной можно

охарактеризоватьследующим образом:Вселеннаябесконечна и

однородна в пространствеи стационарнаво времени. Онибыли

заимствованыиз механики Ньютона - это абсолютные пространство

и время, последнее по своему характеру Евклидово. Такая модель

казалась очень гармоничнойиединственной. Однакопервые

попытки приложения к этой модели физических законов и концепций

привели к неестественным выводам.

Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых

фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия. Таких

положенийв классической космологиичетыре: стационарность

Вселенной,её однородность и изотропность, евклидовость

пространства.Однако в рамках классической космологии

преодолеть противоречия не удалось.

Модель Вселенной,котораяследовала изобщейтеории

относительности,связана с ревизиейвсех фундаментальных

положений классической космологии. Общая теория относительности

отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного

пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно

несложную модель, учёные вынужденыограничить всеобщий

пересмотр фундаментальныхположенийклассической космологоии:

общаятеория относительности дополняется космологическим

постулатом однородности и изотропности Вселенной.

Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к

признанию её однородности.Наоснове этогопостулатав

релятивистскую космологию вводится понятие мирового

пространства и времени.Но этоне абсолютные пространствои

времяНьютона, которые хотятоже были однородными и

изотропными, но в силу евклидовостипространства имели нулевую

кривизну.В применениикнеевклидову пространствуусловия

однородностии изотропностивлекутпостоянство кривизны, и

здесь возможны три модификациитакого пространства: с нулевой,

отрицательной и положительной кривизной.

Возможностьдля пространстваивремени иметь различные

значения постоянной кривизныподнялив космологиивопрос

конечнаВселенная или бесконечна.В классическойкосмологии

подобноговопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства

и времениоднозначно обуславливала её бесконечность. Однако в

релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной

- это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу -

замкнутоев себе неевклидовотрёхмерное пространство. Оно

является конечным, хотя ибезграничным. ВселеннаяЭйнштейна

конечнав пространстве,нобесконечна вовремени.Однако

стационарность вступала в противоречиес общейтеорией

относительности, Вселенная оказаласьнеустойчивой и стремилась

либо расшириться, либо сжаться. Чтобы устранить это

противоречие Эйнштейн ввёлвуравнения теорииновый член

с помощьюкоторого во Вселенную вводились новые силы,

пропорциональные расстоянию, ихможнопредставить как силы

притяжения и отталкивания.

Дальнейшее развитиекосмологии оказалось связанным не со

статическоймоделью Вселенной.Впервые нестационарная модель

была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства

оказались изменяющимисявовремени. Выяснилось, что Вселенная

расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э.

Хабблом, который наблюдалкрасное смещение спектра. Оказалось,

что скоростьразбегания галактиквозрастает срасстоянием и

подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н - постоянная Хаббла, L

- расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

Всвязи сэтимвстают две важныепроблемы: проблема

расширенияпространства и проблеманачала времени. Существует

гипотеза, чтотак называние "разбегание галактик" - наглядное

обозначение раскрытой космологией нестационарности

пространственной метрики. Таким образом, не галактики

разлетаютсяв неизменномпространстве,а расширяетсясамо

пространство.

Вторая проблема связана с представлением о начале времени.

Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t=0, когда

произошёл так называемый Большой взрыв. В.Л. Гинзбург считает,

что "...Вселеннаяв прошломнаходилась вособомсостоянии,

котороеотвечает началувремени,понятие временидо этого

начала лишено физического, да и любого другого смысла".

В релятивистской космологии была показана относительность

конечностии бесконечности времени в различныхсистемах

отсчёта. Это положение особо чётко отразилось в представлениях

о "чёрных дырах".Речь идет ободном из наиболееинтересных

явленийсовременной космологии-гравитационномколлапсе.

С.Хокинс и Дж. Эллисотмечают: "Расширение Вселенной во многих

отношенияхподобно коллапсу звезды, если не считать того, что

направление времени при расширении обратное".

Как "начало"Вселенной, таки процессы в "чёрныхдырах"

связанысо сверхплотным состояниемматерии. Такимсвойством

обладаюткосмические тела после пересечения сферы Шварцшильда

(условная сферас радиусом r = 2GM/c¤, где G - гравитационная

постоянная, М - масса). Независимооттого, в каком состоянии

космический объектпересёксоответствующую сферу Шварцшильда,

далее онстремительно переходит в сверхплотноесостояние в

процессегравитационного коллапса. Послеэтогоот звезды

невозможно получитьникакойинформации, т.к. ничтоне может

вырваться изэтой сферыв окружающеепространство -время:

звездапотухает для удалённогонаблюдателя, и в пространстве

образуется "чёрная дыра".

Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире

пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится

забесконечностьюво времени. Таким образом, оказалось, что

пространство - времяв общейтеории относительности содержит

сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть

концепциюпространственно - временногоконтинуума как некоего

дифференцируемого "гладкого" многообразия.

Возникает проблема, связанная с представлением о конечной

стадии гравитационного коллапса, когдавсямасса звезды

спрессовывается в точку ( r -> 0 ), когдабесконечна плотность

материи, бесконечнакривизнапространства и т.д. Это вызывает

обоснованное сомнение. Дж. Уитлер считает, что в заключительной

стадии гравитацинного коллапса вообще не существует

пространства - времени. С. Хокингпишет:"Сингулярность - это

место, где разрушаетсяклассическая концепцияпространства и

времени так же, как ивсе известные законыфизики, поскольку

все они формулируются наосновеклассического пространства -

времени. Этих представлений придерживаются большинство

современных космологов.

На заключительныхстадиях гравитационного коллапса вблизи

сингулярностинеобходимо учитыватьквантовыеэффекты. Они

должныиграть на этом уровне доминирующую роль и могут вообще

не допускатьсингулярности. Предполагается, что в этой области

происходятсубмикроскопическиефлуктуации материи, которые и

составляют основу глубокого микромира.

Всё это свидетельствуетотом,что понятьмегамир

невозможно без понимания микромира.

3. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА.

3.1. Пространственно-временные представления

квантовой механики.

Создание Эйнштейном специальной теории относительности не

исчерпывает возможноси взаимодействия механики и

электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было

выявленопротиворечие каквистолковании экспериментальных

данных, так и в теоретической согласованности этих выводов. Это

повлекло засобой рождениеквантовой механики.Она положила

началонеклассической физике, открыладорогук познанию

микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией,кпониманию

процессов в недрах звёзд и "начале" Вселенной.

В концеXIXвека физики начали исследовать, как

распределяется излучение по всему спектру частот. В тот период

физики задались такжецельювыяснить природувзаимосвязи

энергииизлучения и температурытела. М. Планк пытался решить

эту проблему с помощью методов классической электродинамики, но

это не привело к успеху. Попыткарешить проблему спозиции

термодинамикистолкнулась срассогласованностью теории и

эксперимента.Планк получилформулуплотности излученияс

помощью интерполяции:

──────v

р = ───────────── , где

exp(──) - 1

v- частотаизлучения,Т -температура,k -постоянная

Больцмана.

Полученная Планкомформулабыла оченьсодержательной,

крометого, она включаларанеенеизвестную постояннуюh,

которую Планк назвал элементарным квантом действия.

Справедливостьформулы Планка достигаласьочень странным

дляклассической физикипредположением: процесс излученияи

поглощения энергииявляется дискретным.

C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло

представление окарпускулярно -волновом дуализме.Реальная

природасвета может бытьпредставлена какдиалектическое

единство волны и частиц.

Однако возник вопрос осущности и структуре атома.Было

предложеномножеств о противоречащих друг другу моделей. Выход

былнайден Н.Боромпутём синтеза планетарной модели атома

Резерфорда и квантовой гипотезы. Он предположил, что атом может

иметьряд стационарныхсостоянийпри переходевкоторые

поглащается или излучается квант энергии. Всамомже

стационарномсостоянии атом не излучает. Однако теория Бора не

объяснялаинтенсивности и поляризацииизлучения. Частичнос

этимудалось справиться спомощь принципа соответствия Бора.

Этот принцип сводится ктому,что приописаниилюбой

микроскопической теории необходимо пользоваться терминологией,

применяемой в макромире.

Принцип соответствия сыграл важную роль в исследованиях де

Бройля.Он выяснил,чтоне только световыеволны обладают

дискретнойструктурой, ноиэлементарным частоцамматерии

присущволновой характер.Наповестку дня всталапроблема

создания волновой механики квантовых объектов, которая в1929

годубыла решенаЭ.Шредингером, который вывел волновое

уравнение, носящее его имя.

Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения

Шредингера. Он показал, что это уравнение описываетамплитуду

вероятности нахождения частицы в данной области пространства.

Чуть раньше (1925г.) Гейзенбергом была разработана

квантовая механика.Формальные правила этой теории основаны 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,вквантовой механике была найдена

принципиальнаяграница применимостиклассическихфизических

представлений к атомным явлениям и процессам.

В квантовойфизикебыла поставленаважная проблема о

необходимости пересмотра пространственных представлений

лапласовского детерминизма классической физики. Ониоказались

лишь приближёнными понятиями и основывались на слишком сильных

идеализациях. Квантоваяфизикапотребовала болееадекватных

форм упорядоченности событий, вкоторых учитывалось бы

существование принципиальной неопределённостив состоянии

объекта,наличие черт целостностии индивидуальности в

микромире, чтои выражалосьв понятииуниверсального кванта

действия h.

Квантовая механика была положена в основубурно

развивающейсяфизики элементарныхчастиц, количество которых

достигает нескольких сотен, но донастоящеговремени ещёне

созданакорректная обобщающая теория.В физикеэлементарных

частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё

большими трудностями. Оказалось, что микромирявляется

многоуровневой системой, на каждом уровнекоторой господствуют

специфическиевиды взаимодействийиспецифические свойства

пространственно-временныхотношений. Областьдоступных в

эксперименте микроскопическихинтерваловусловно делитсяна

четыре уровня: 1)уровень молекулярно -атомных явлений,2)

уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов,

3) уровень элементарных частиц,4) уровеньультрамалых

масштабов, где пространственно- временные отношения

оказываюстя несколько иными,чемв классической физике

макромира. Вэтой области по-иному следуетпониматьприроду

пустоты - вакуум.

В квантовой электродинамикевакуум являетсясложной

системой виртуально рождающихсяипоглащающихся фотонов,

электронно - позитронных паридругих частиц.На этом уровне

вакуумрассматривают какособыйвид материи- какполе в

состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая

электродинамика впервые наглядно показала, что пространствои

время нельзя оторвать от материи, что так называемая "пустота"

- это одно из состояний материи.

Квантовая механика была примененак вакууму, и оказалось,

что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой её

плотностью. Минимум её оказался равным уровню осциллятора hv/2.

"Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны, - пишет Я.

Зельдович, - мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны

вместедают бесконечнуюплотностьэнергии". Эта бесконечная

энергия пустого пространства таит в себе огромные возможности,

которые ещё предстоит освоить физике.

Продвигаясь вглубь материи,учёные перешагнули рубеж 10

см.и начали исследоватьфизические процессывобласти

субатомныхпространственно- временныхотношений.На этом

уровне структурной организации материи определяющую роль играют

сильныевзаимодействияэлементарных частиц. Здесь иные

пространственно - временные понятия. Так,спецификемикромира

не соответствуют обыденные представления о соотношении части и

целого.Ещё болеерадикальныхизменений пространственно -

временных представлений требует переходкисследованию

процессов, характерныхдляслабых взаимодействий. Поэтомуна

повестку днявстаёт вопрос онарушении пространственнойи

временной чётности, т.е.правоеи левоепространственные

направления оказываются неэквивалентными.

В этихусловиях были предпринятыразличныепопытки

принципиально нового истолкованияпространства и времени. Одно

направление связано с изменениемпредставлений о прерывности и

непрерывностипространства и времени, а второе - с гипотезой о

возможной макроскопическойприроде пространсваивремени.

Рассмотрим более подробно эти направления.

3.2. Прерывность и непрерывность пространства и

времени в физике микромира.

Физика микромира развивается в сложномединстве и

взаимодействии прерывности и непрерывности.Этоотносится не

только к структуре материи, ноик структуре пространстваи

времени.

После создания теории относительности и квантовой механики

учёныепопытались объединитьэти две фундаментальныетеории.

Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое

уравнениедля электрона.Былполучен неожиданныйвыводо

существовании антипода электрона- частицыс противоположным

электрическим зарядом. В настоящее время известно, чтокаждой

частице в природесоответствует античастица,это обусловлено

фундаментальными положениямисовременной теориии связанос

кардинальными свойствами пространстваивремени ( чётность

пространства, отражение времени и т.д. ).

Историческипервой квантовой теорией поля была квантовая

электродинамика,включающая всебя описание взамодействий

электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная

ветвь теорииэлементарных частиц,которая достиглавысокого

уровняразвития и известнойзавершённости.Онаявляется

локальной теорией,вней функционируют заимствованные понятия

классической физики,основанные на концепции пространственно -

временнойнепрерывности: точечностьзаряда, локальность поля,

точечность взаимодействияит. д. Наличие этих понятий влечёт

засобой существенныетрудности,связанные сбесконечными

значенияминекоторых величин(масса, собственнаяэнергия

электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д. ).

Эти трудности учёныепытались преодалеть путём введения в

теориюпонятий одискретномпространстве и времени. Такой

подход намечает единственный выход из неопределённости

бесконечности, т.к.содержит фундаментальную длину - основу

атомистического пространства.

Позже была построена обобщённая квантовая электродинамика,

котораятакже является локальной теорией, описывающей точечные

взаимодействияточечных частиц, чтоприводит ксущественным

трудностям.Например, наличие электромагнитного и электронно -

позитронноговакуума обуславливаетнебходимостьвнутренней

сложности, структурности электрона. Электрон поляризует вакуум,

ифлуктуации последнего создают вокруг электрона атмосферу из

виртуальной электронно-позитронной пары. Приэтом вполне

вероятен процесс аннигиляции исходного электронаспозитроном

пары.Оставшийся электрон можно рассматривать как исходный, но

в другой точке пространства.

Подобная спецификаобъектовквантовой электродинамики

является веским аргументом в пользу концепции пространственно -

временной дискретности. В её основе лежит идея о том, что масса

и заряд электронанаходятся в разных физических полях, отличны

от массы и зарядаидеализированного ( изолированного от мира )

электрона. Разностьмежду массами оказывается бесконечной. При

оперированииэтими бесконечностямиихможно выразить через

физические константы - зарядимассу реального электрона. Это

достигается путём перенормировки теории.

Что касается теориисильных взаимодействий,тотам

процедуру перенормировки использовать не удаётся. Всвязи с этим

вфизике микромира широкоеразвитие получило направление,

связанноеспересмотром концепции локальности.Отказот

точечности взаимодействиямикрообъектовможет осуществляться

двумя методами. Припервомисходят из положения. чтопонятие

локальноговзаимодействиялишено смысла.Второй основан на

отрицаниипонятия точечной координаты пространства - времени,

что приводит к теории квантового пространства - времени.

Протяжённая элементарная частица обладает сложной

динамической структурой. Подобная сложная структура

микрообъектовставит под сомнениеих элементарность.Учёные

столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается

свойствоэлементарности,но ис пересмотром самой диалектики

элементарного и сложноговмикромире. Элементарные частицы не

элементарныв классическом смысле: они похожи на классические

сложные системы, ноонине являютсяэтимисистемами. В

элементарных частицах сочетаютсяпротивоположныесвойства

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", вкотором они

взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.

Таково принципиальное положение дел, сложившеесяв

развитии квантовой теории поля, начиная с работ Гейзенбергаи

кончая современныминелокальными инелинейными теориями, где

нарушение причинности вмикромире провозглашаетсявкачестве

принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени

на области "малые", гдепричинность нарушена, ибольшие,где

она выполнена, невозможнобезпоявления в нелокальнойтеории

новой константы размерностидлины - элементарной длины. С этим

"атомом" пространства связаниэлементарный моментвремени (

хронон), иименнов соответствующейим пространственно -

временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц.

Теория дискретногопространства- временипродолжает

развиваться.Открытым остаётсявопрос о внутреннейструктуре

"атомов"пространства и времени.Существует ли пространство и

времяв "атомах"пространства и времени?Это одна из версий

гипотезыо возможной макроскопичности пространства и времени,

которая будет рассмотрена ниже.

3.3. Проблема макроскопичности пространства

и времени в микромире.

В современной физике микромира возникласледующая

проблема: речь стала идти не об изменении свойств или структуры

пространства и времени, а об их макроскопической природе, т.е.

о том, что их вообще возможно нет в микромире. Такая постановка

вопроса связана с созданиемквантовой механики.Что касается

сферприложимости гипотезы,тоеё сторонники разошлисьво

мнениях:одни считают,чтоона имеет отношениелишь к

теоретическомуописанию объективнойреальностив квантовой

физике, другиерасширили еёуровня философскогоположения о

неуниверсальности пространства и времени как форм существования

движущейся материи.

В ньютоновской механике теоретическое и эмпирическое

пространство и время во многомсовпадали.С развитием физики

это совпадение нарушается.

В связи с этим возникает вопрос: должна ли эмпирическая

структурафизической теориивыступать обязательно в форме

пространства и времени классической физики? Гейзенберг

следующимобразом описываетсоздавшуюсяв физике микромира

ситуацию: "Оказывается, в наших исследованиях атомных процессов

неизбежно существует своеобразное раздвоение. С одной стороны,

вопросы,с которымимыобращаемся кприроде посредством

экспериментов, всегдаформулируютсяв понятияхклассической

физики,в особенностивпонятиях пространстваивремени,

поскольку наш языкприспособлен к передачетолько обыденного

нашего окружения и поскольку опыты мы не можем провести иначе,

как тольково времени ивпространстве. Сдругой стороны,

математические выражения, пригодные для изображения

экспериментальных результатов, представляютсобойволновые

функциив многомерных конфигурационных пространствах,не

допускающих какой-либо простой наглядной интерпретации".

Из этого положения можно сделать вывод, что пространство и

времяклассической физикиявляютсяэмпирической структурой

квантовой механики.

Так вчём же суть рассматриваемой гипотезы? Эмпирическая

структура физической теории заведомо макроскопична.

Теоретическая структура приописании микромиравыступает как

пространство и время. Пространство и времяможноиспользовать

приразвитии физическихтеорий,описывающих другиеуровни

строения материи, но это сопряжено с неоправданным усложнением

теории,и поэтому от них отказываются. Речьидёт о

макроскопичности пространстваивремени, которые выступаютв

качестве теоретических структур физических теорий.

В заключении рассмотримгипотезу омакроскопической

природе пространстваивремени с точкизрения диалектико-

материалистического учения обихуниверсальности. Речь едёт о

пространствеи временикак категориях современной физики,

которые являются специфическими метрическимиструктурами

сосуществованияданных явлений и смены конкретных состояниий,

что предполагаетвозможностьразличия двух соседнихточек и

двух последующих моментов.Свойства "соседства" и "следования"

являются конкретнымииспецифическимисвойствами структуры,

которые могут существовать далеко не везде. С этой точки зрения

можно даже говоритьо "внепространственных"и"вневременных"

формах существованияматерии. Однако,можно задать идругой

вопрос: если пространство и время оказываются неуниверсальными,

токакой смыслнужновкладывать внихсейчас, чтобы они

попрежнему оставались универсальными?

С этим вопросом связано возникновение и развитие различных

модификацийгипотезы о макроскопической природе пространства и

времени.Если этой гипотезепытаются придать философский

статус, то это необоснованно,т.к. она носит сугубо физический

характер и не вступает в противоречие с тезисом диалектическо -

материалистической философии овсеобщностипространства и

времени. Но врамках физической проблематики эта гипотеза не

означает,что макромир обладает только соответствующей

пространственной природой, т.е. следует учитывать, что макромир

неисчерпывается классическими объектами в классических

пространствеи времени,чтонеклассическиймакромир может

потребовать неклассической пространственно - временной

организации.

_______

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На этом мы завершим анализ статуса пространства и времени

в физическом познании. Связанные с этим проблемы

разрабатываютсямногими философами и естествоиспытателями. Уже

получены интерересные результаты и ведутся плодотворные поиски.

В последнее время наука пришлакпредставлению о

диалектической взаимосвязи элементов различных уровней

целостного мира, в котором элементарная частица может оказаться

полузамкнутойВселенной, авспецифике человека может быть

запечетлена структура Вселенной.

_______

ЛИТЕРАТУРА.

1. Аскин Я.Ф. Проблема времени. Её физическое истолкование, М.:

Мысль,-1986.

2. Ахундов М.Д. Пространство ивремяв физическомпознании,

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 ивремени: истоки,

эволюция, перспективы, М.:Наука,-1982.-222 с.

5. Осипов А.И. Пространство и время как категории мировоззрения

и регуляторы практической деятельности, Минск:Наука и

техника,-1989.-220 с.

6. Потёмкин В.К., Симанов А.Л. Пространство в структуремира,

Новосибирск:Наука,-1990.-176 с.

7. Эйнштейн А. Собраниенаучных трудов в четырёх томах. Том I.

Работы по теории относительности 1905-1920, М.:Наука,-1965.-

700с.