Реферат: Пространство и время

(реферативное исследование)

1. Начало

Решение написать реферат, вкотором бы подробно анализировались категории пространства и времени, связано стем, что это действительно мне интересно. Этот интерес давний и искренний.Подтверждением тому моя научная работа в области теоретической физики – язанимаюсь квантовыми черными дырами. Для непосвященного, возможно, не ясно, какэто касается пространства и времени, но, надеюсь, в этой работе я смогуобъяснить это. Конечно, есть риск превратить реферат по философии внаучно-популярную статью по физике, но, коль скоро мы заговорили о пространствеи времени, без экскурса в современную физику наше обсуждение будет существеннонеполным.

Кроме того, ни один изкрупных философов от древности до ХХ века не обходил вниманием понятияпространства и времени, поэтому недостатка в реферируемом нет, и этонемаловажно. Вопрос, что же есть пространство и время, тем не менее, каккажется мне, еще далек от своего полного разрешения. Физика уходящего столетиязаставила несколько раз поменять взгляды на столь фундаментальные понятия и выявиланесостоятельность большинства философских концепций. Наверное, сейчас редкийфилософ рискнет обсуждать этот вопрос, отдав его на откуп физикам, что еще разподтверждает мое право не только цитировать классиков, но и принять посильноеучастие в дискуссии. Здесь можно привести шутливое высказывание замечательногоамериканского физика-теоретика Ричарда Фейнмана: “… когда будут открыты всефизические законы, придет время философов, которые до этого стояли рядом иподавали глупые советы” [1]. Ввиду отсутствия ясного взгляда на пространство ивремя и даже, быть может, их четкого определения, нам остается рассмотретьисторию вопроса, которая открывается греческой философией и проходитпрактически через все основные философские учения. В реферате сознательно обойдемслишком экзотические концепции, такие как теория Бергсона, и это вовсе незначит, что они были совсем упущены из вида. Дело в том, что их ценность длясовременности и будущего науки представляется сомнительной.

Все многообразие взглядовможно разделить на две основные категории. 1) пространство и время субъективны;2) они объективны. Пожалуй, нумерацию лучше поменять, т. к. я являюсьпоследовательным сторонником первой точки зрения. В разные времена люди ставилиразные вопросы касательно природы и свойств пространства и времени, но один изних, по крайней мере, прослеживается издревле: существует ли “пустоепространство”? Позже к нему примкнул другой: можно ли говорить о времени, если“ничего не происходит”. Не буду интриговать читателя и скажу, что на этивопросы в середине ХХ века, наконец-то, получен строгий однозначный ответ –нет. А вот почему? С объяснением придется подождать. Необходимые комментарии ипояснения из области физики будет даны по ходу обсуждения.

Действительно, категориипространства и времени являются, пожалую, одними из самых сложных в философии.Человек желает раскрыть истинный смысл и природу вещей и явлений, егоокружающих. Если с объяснением материальных объектов (назовем их так) делообстоит более менее неплохо, то с пространством и временем вопрос темный. Какмне представляется, причина состоит в том, что большинство материальныхобъектов человек может “повертеть в руках”, рассмотреть их,поэкспериментировать с ними и, поразмыслив, составить представление об ихприроде. Ставить опыты со временем и пространством человечество еще ненаучилось, и на долю ученых остается лишь их мысленное созерцание. Мы до сихпор подобны греческим философам, которые строили свои метафизические теории безактивного вмешательства в природу, ограничиваясь случайными, и, в общем-то,неупорядоченными наблюдениями. Понятно, что при этом трудно рассчитывать наглубокое и правильное понимание вопроса. Видимо придется ждать нового Галилея,который сможет ставить опыты со временем и пространством. Если верить обещаниямамериканских физиков и инженеров, то ждать осталось недолго. В скором временимы станем свидетелями первого в истории человечества эксперимента спространством и временем – возможным наблюдением гравитационных волн в рамкахамериканского проекта LIGO. Первая установка требуемой точности вступит встрой, как обещано, в 2001 году в Калифорнии (США).

2. Греки

Итак, начнем с греков.Большинство из философов того далекого прошлого не интересовались пространствомв чистом виде, обсуждение подобных проблем носило вспомогательный характер прианализе покоя и движения и вообще в метафизике. А это в свою очередь для грековнеизбежно сводилось к вопросу о существовании пустоты или, мы бы сказали,“пустого пространства”, не заполненного никакими телами. Причем люди уже тогдахорошо понимали, что воздух не есть настоящая пустота – это тоже тело (среда).Доводы сторонников существования пустоты в природе сводились к аргументу, чтоесли бы в мире все места были заполнены, то тела не смогли бы двигаться, и этопротиворечит истинному положению дел. Этот довод был очень сильным и греки, вобщем-то, ничего не смогли противопоставить ему по существу. Вывод, сделанныйпоследователями Парменида, был неожиданным и парадоксальным, – движения нет. Небудем обсуждать мировоззрение и философию, следующее отсюда, сосредоточимся насамом утверждении. “Конечно, можно возразить, и, вероятно, это будетосновательно, что движение никогда не может возникнуть в заполненномпространстве, но нельзя обоснованно утверждать, что оно там вовсе не можетпроисходить” [2].

Очень замечательны в этомотношении апории Зенона, ученика Парменида. Мы вполне можем утверждать, что этипарадоксы касаются непосредственно свойств пространства и времени. Онинастолько широко известны, что приводить их здесь смыслы не имеет, перейдемсразу же к анализу. Зенон старался показать при их помощи парадоксальностьдвижения. Но для нас очень важно то, что пространственный отрезок Зенон считалвозможным делить до бесконечности также как и рассматривать бесконечно близкиемоменты времени. Таким образом, можно утверждать, что в античности пространствои время мыслились непрерывными, это один из важнейших для нас моментов,запомним это.

Современники Зенона былинастолько поражены апориями, что конечно же старались найти какие-тообъяснения. Здесь я упомяну интересное разрешение этих парадоксов, данноеДемокритом. Вообще последовательная позиция этого атомиста заслуживаетуважения, ведь он считал “зернистым” не только вещество, но и время, ипространством. Довод Демокрита состоял в том, что пространство дискретно, и длятела возможно лишь определенное счетное множество положений. Поясняя эту мысль,скажу, что пространство представлялось ему как бы разлинованным на клеточки, иатомы могут находиться только в определенных клетках, а с одного место всоседние перемещаться скачкообразно. Долгое время казавшаяся оригинальной, ноне имеющей никакого отношения к действительности, эта точка зрения вновьпривлекла к себе внимание лишь сейчас в связи с гипотезами относительно теорииквантовой гравитации. Недавно некоторые авторы, к которым относится и известныйсоветский физик Блохинцев [4], делали попытки проанализировать модельдискретного пространства-времени. Квант пространства при этом равнялсяневообразимо малой величине 10-33 см, а квант времени 10-43сек. Хотя и нельзя сказать, что такой подход сейчас считается перспективным, ностоль неожиданные параллели между античными идеями и современными физическимипарадигмами весьма замечательны. Во избежание недоразумений поясню, что сейчасуже речь, конечно, не идет о преодолении классических апорий, причина введениядискретного пространства состоит в другом.

Позже греки отчетливоразделяли материю и пространство, как вместилище всех вещей, наиболее четкотакая позиция сформулирована у Аристотеля: “Утверждающие существование пустотыназывают ее местом; в этом смысле пустота была бы местом, лишенным тела” [3].Кстати, у Аристотеля движение возможно только благодаря веществу. Брошенноетело высвобождает позади себя место, куда устремляется воздух, подталкивая теловперед. Далее следует развитие этой мысли, что в более разреженной средесопротивление движению слабее и тело движется быстрее. Так в пустоте движениестало бы настолько быстрым, что тело приобрело свойство вездесущности. Этот выводговорит о весьма оригинальном понимании Аристотелем пространства и его свойств.Несмотря на кажутся наивность такой точки зрения, здесь содержится весьмаглубокое умозаключение, что в пустом пространстве все положения (точки)равноправны, хотя стагирит, видимо, не понимает это утверждения в подобномсвете. Эти идеи Аристотеля представляются мне этаким античным аналогом теоремыЭммы Нетер, сформулированной в прошлом веке.

Говоря об античном воззрениина пространство и время, никак нельзя обойти геометрию Евклида. Это, наверное,первая строгая и последовательная научная теория, построенная индуктивнымспособом на основе аксиом, которых в элементарной геометрии пять. Эти постулатыказались совершенно естественными и неколебимыми для математиков вплоть до Лобачевского,Бойяи и Римана (см. ниже). Аксиомы Евклида произошли исключительно из опыта,т.е. согласно Канту представляют собой синтетические высказывания, однако, тотже немецкий философ замечает, что даны они человеку априори. Что важно для насв античной геометрии. Наверное, стоит отметить то, что люди научилисьтеоретически обращаться с идеальными объектами на плоскости – точками, прямымии т. д., греки смогли абстрагироваться от реальных объектов и рассматриватьотдельно форму. Можно сказать, что во времена Евклида, появились абстрактныепредставления о пространстве. Это знаменует качественной скачек в сознании, спространством, оказывается, можно оперировать, отвлекаясь от наполняющего еговещества.

3. От Исаака до Альберта

Вкратце познакомившись с мнениемантичных философов относительно пространства и времени, так как их точка зренияпредставляет скорее исторический интерес, двинемся дальше. Примем к сведению ихпорой оригинальные теории, но не станем спорить с классиками. Гораздо важнеедля нас Декарт, “… доводы которого точно совпадают с положениями раннихгреческих философов, сказал, что протяженность является сущностью материи, а,следовательно, материя имеется повсюду. У него протяженность – прилагательное,а не существительное, ее существительное – материя, и без своегосуществительного протяженность не может существовать. Для него пустоепространство также абсурдно, как счастье без чувствующего существа, котороесчастливо” [4]. Можно констатировать, что для Декарта пространство, коль скороони есть, заполнено материей, средой. И такую особенную среду Декарт изобрел,назвав ее “тонкой материей”. Для физиков второй половину прошлого века такой“тонкой материей” был эфир – некая среда, наполняющая пространство,относительно которой распространяются электромагнитные волны. Видимо,использовав такую аналогию, я не сильно искажаю понятие “тонкой материи”Декарта (за исключением, естественно, всего сказанного об колебанияхэлектромагнитного поля). Пространство надо было заполнить такой протяженной материей,причем эта материя практически не проявляется в нашем мире. Мне представляется,что тогда “токая материя” фактически ничем не отличается от пустоты.

Декарт, похоже, все же оченьхотел исследовать пространство как таковое без вещества. Не удивительно, чтопрогресс в этой области был достигнут рационалистом, ведь возможностьисследования пространства эмпирическими методами представляется на тот моментнесколько сомнительной. Декарту принадлежит изобретение координатной плоскости.Это уже следующая степень абстракции после Евклида. За счет введения системыкоординат удалось свести геометрию к чисто аналитической дисциплине, не говоряо том, что сам метод координат играет решающую роль в современнойрелятивистской физике. Декартовы координаты, будучи определены при помощитройки действительных чисел, совершенно четко показывают непрерывностьпространства и его трехмерность. Выражаясь языком современной математики, послеДекарта пространство стало многообразием, т.е. таким множеством элементов(точек), которое можно параметризовать при помощи набора действительных чисел.Утверждение о том, что пространство есть многообразие, является важнейшимположением современной физики.

Следующий принципиальный шагбыл сделан с появлением механики Исаака Ньютона. Чтобы сформулировать законыдинамики Ньютону пришлось обратиться к принципиальному вопросу, что естьпространство и время? Ему было необходимо просто-напросто дать определение этимпонятиям, раз уж он строил аксиоматическую теорию наподобие евклидовойгеометрии. На этом моменте следует остановиться подробнее, потому что, мнекажется, сами того не осознавая, большинство наших современников, изучавших вшколе физику, но не занимающиеся ею профессионально, придерживаются именноньютоновского взгляда на пространство и время. В нашей критике Исаака Ньютонабудем следовать Эрнсту Маху [6], давшему, на мой взгляд, самую основательнуюоценку трудов великого англичанина.

Обратимся к первоисточнику[8]. “В изложенном выше имелось в виду объяснить, в каком смысле употребляются вдальнейшем менее известные названия. Время, пространство, место и движениесоставляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятияобыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюдапроисходят некоторые неправильные сужения, для устранения которых необходимовышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные икажущиеся, математические и обыденные.

Абсолютное. Истинное иматематическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякогоотношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называетсядлительностью.

Относительное, кажущееся илиобыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами,внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности,употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени,как-то: час, день, месяц, год…”. Этим определением Ньютон абсолютизирует время,как текущее вне зависимости от любых реальных процессов в природе. Далее в этомже тексте Ньютон говорит, что может не существовать точного стандарта временина основе физических или астрономических явлений, из-за их несовершенства (всмысле точной неповторимости). “Создается впечатление, – пишет Мах [6], – что …Ньютон находится еще под влиянием средневековой философии, как будто бы онизменил своему намерению исследовать только фактическое”, время становитсячем-то абстрактным, независящем от всякого измерения.

Что же касается пространства,то Ньютон пишет: “Абсолютное пространство по самой своей сущности,безотносительно к чему бы то ни было внешнему, останется всегда одинаковым инеподвижным. Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижнаячасть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительнонекоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространствонеподвижное…”. Здесь представляется излишним комментировать это положениеНьютона, оно весьма аналогично его суждению о времени. Важно, что в “Началах …”различается абсолютное и относительное движения, причем это обсуждается авторомочень тщательно.

Наверное Ньютон находился подвлиянием Декарта, но выкинув “тонкую материю”, оставляет для своей механикитолько абстрактную жесткую и неподвижную систему координат, считая однако еевполне реальной сущностью. Разделяя абсолютное и относительное движение, Ньютондаже сделал шаг назад по сравнению с Декартом, который еще раньше вполнеправильно понимал относительность всякого движения. Возможно философскиемоменты довольно непоследовательны и искусственны, но не будем забывать, чтозадача Ньютона была совсем в другом – научиться описывать динамику тел. Успехмеханики был столь велик, что “судить победителя” научное сообщество взялосьтолько два столетия спустя, когда началось внимательное осмысление фундаментальныхположений теории Исаака Ньютона такими учеными как Ланге и Мах. Их идеи логичнобудет поместить здесь, т.к. во многом они вытекают из критики Ньютона.

Мах придерживался той точкизрения, что нелепо говорить о движении тела безотносительно других тел, измеряядвижение лишь в абсолютном пространстве. Весь наш опыт ведь сводится кизмерению лишь расстояний между отдельными предметами. Мах приводит парадокс.Предположим, что тело помещено в абсолютно пустое пространство, которое лишенодаже сильно удаленных звезд, тогда нельзя понять находится ли наше тело в покоеили к примеру вращается вокруг собственной оси кроме, как измеривцентростремительное ускорение. Такой вывод строго следует из представлений обабсолютном пространстве у Ньютона, и можно выделить “абсолютно невращающуюся”систему отсчета в пустоте, что Мах как позицивист принять не мог.

Выход, который предлагает Махследующий. Давайте сформулируем закон инерции (который собственно и определяет,что есть инерциальная система отсчета) иначе. “Вместо того, что относитьдвижущееся тело к пространству (к какой-нибудь инерциальной системе), будемрассматривать непосредственно его отношение к телам мира, посредством которыхтолько и можно определить систему координат”. Очень далекие друг от друга теладвижутся с постоянными по величине и направлению (относительными) скоростями.Близкие тела, находящиеся “в более сложном отношении” или, мы бы сказали,взаимодействующие друг с другом и движутся уже с непостоянной относительнойскоростью. Теперь “вместо того, чтобы говорить: расстояние и скорость массы впространстве остаются постоянными, можно употреблять выражение, что среднееускорение массы <…> относительно <всех других масс …> равно нулю”[6]. При этом ненулевое ускорение относительно ближайших тел будетскомпенсировано большим вкладом массивных удаленных объектов (звезд), которые сисследуемым телом не взаимодействуют. Поясним, что наше тело на самом делесвободно, а ускорение относительно соседей может быть из-за того эти самыесоседние тела могут быть по каким-то причинам подвержены действию сил, и, темсамым, ускорены они. Удаленные массы во Вселенной “задают” инереицальн(ую/ые)системы отсчета.

Такая трактовка законаинерции Махом по истине относительная. Однако подразумевает некоторую космологию,хотя и не важно какую именно. На это Эрнст Мах отвечает, что быть может и несуществует локальных законов типа ньтоновских, и, чтобы описывать даже движениетел в небольшом объеме, “невозможно отвлечься от остального мира.” Он далеезамечает [6], “Природа не начинает с элементов, как вынуждены начинать с нихмы. Впрочем, для нас счастье, если нам удается на некоторое время отвести взорот огромного целого и сосредоточиться на его отдельных частях.” Таким образомМах исправляет идейные основания классической механики, констатируя, что вобыденности мы можем пользоваться законами Ньютона, понимая однако по-другому,что есть инерциальная система отсчета.

Оставим пока Маха и вернемсячуть назад во времени. (Мне очень трудно придерживаться хронологии и в то жевремя не разрывать логически изложение эволюции той или иной концепции.) Чтобызавершить разговор о пространстве и времени, как его представляли люди началаXIX столетия, надо обсудить некоторые субъективистские парадигмы. Наверное, вовремена Юма возникло также новое причинное понимание времени, которое,упрощенно говоря, состоит в том, что время воспринимает нами как “параметр”, покоторому упорядочиваются причина и производимое ею следствие. Вообще в этовремя мы видим, как наряду с вопросом о времени появляется вопрос причинности,но это уже лежит за пределами определенного мной реферата.

Следующий на ком мы остановимсвой пристальный взгляд – Лейбниц. Но тут мы сталкиваемся с новой субъективнойтеорией пространства, которая нашла свое завершение в философии ИммануилаКанта. Основываясь на своем учении о монадах. Лейбниц считает, что“пространства – как оно является чувствам, и как его рассматривает физика, – несуществует, но оно имеет реального двойника, а именно расположение монад втрехмерном порядке соответственно точки зрения, с которой они отражают мир.Каждая монада видит мир в определенной перспективе присущей только ей; в этомсмысле мы можем несколько произвольно говорить о монадах как имеющихпространственное положение”. Я лично не могу принять такую позицию, но всю своюкритику я обрушу на Лейбница и Канта вместе, а пока надо прейти к теориипространства и времени последнего, что дать пищу нашему обсуждению.

Кант утверждает, что нашиощущения имеют причины, которые он называет “вещами в себе”. Наше восприятие,называемое “феноменом”, состоит из “ощущения” (объективная составляющая) и“формы” явления. Форма не есть само ощущение, это субъективный аппарат,устанавливающий определенные отношения явлений и их порядок. Форма не зависитот среды и априорна, она всегда присутствует в нас и не связана с опытом. У“чистой формы” есть две составляющие – пространство и время. При этомпространство “ответственно” за внешние ощущения, а время – за внутренние. Дляобоснования своей позиции Кант выдвигает несколько доказательств, чтопространство и время являются априорными формами.

“Пространство не естьэмпирическое понятие, отвлекаемое от внешнего опыта, В самом деле,представление пространства должно уже лежать в основе для того, чтобы известныеощущения были относимы к чему-то вне меня (то есть к чему-то в другом местепространства, чем то, где я нахожусь), а также для того, чтобы я могпредставлять их как находящиеся вне друг друга, следовательно, не только какразличные, но и как находящиеся в различных местах”.

“Пространство есть недискурсивное, или, как говорят, общее, понятие об отношениях вещей вообще, ачисто наглядное представление. В самом деле, можно представить себе только одноединственное пространство, и если говорят о многих пространствах, то под нимиподразумевают лишь части одного и того же единого пространства, к тому же этичасти не могут предшествовать единому всеохватывающему пространству как егосоставные элементы (из которых возможно было бы сложение), но могут бытьмыслимы только как находящиеся в нем. Пространство существенно едино;многообразное в нем, а, следовательно, также общее понятие о пространствахвообще основывается исключительно на ограничениях”.

Другие аргументы Кантасостоят в том, что поскольку мы не можем вообразить, что не существуетпространство, то это понятие априорное, кроме того пространство – бесконечноданная величина. Последние заключения не состоятельны, т.к. являются сугубосубъективными, и другой человек может воображать все совершенно иначе.Серьезный аргумент не может быть основан на том, что можно или нельзяпредставить. Против утверждения из первой цитаты можно сказать, что разпространственное расположение вещей завит от субъекта, расставляющего их (чтобырасширить нашу критику и на Лейбница тоже вместо слова “субъект” можно ставитьслово “монада”). Но нельзя же игнорировать физические закономерности, которыеопределяют движение тел в пространстве. Получается, по совпадению для разныхсубъектов эти законы одинаковы, в то время, как располагать предметы они могутпо соей воле.

В принципе выводы, которыеделает Кант, еще можно было стерпеть в конце XVIII века во время торжестваньютоновской механики, но с появлением общей теории относительности онистановятся с очевидностью ошибочными. Поясню свою мысль. Дело в том, что вэйнштейновской теории гравитации искривление самого пространства ведет к вполнеопределенным регистрируемым эффектам. Если стоять на позиции Канта, тополучатся, что мое субъективное восприятие мира (“вид” пространства) приводит кобъективным ощущениям (физическим явлениям).

Второе доказательствоИммануила Канта, касающееся единства пространства и невозможности воображения“других” пространств”, с релятивистской точки зрения опровергается тем, чтопространство или пространства не являются субстанциями (так считает БертранРассел). Я же могу добавить, что если понимать “пространство” в математическомсмысле слова, т.е. допустить существование пространств различных размерностей,сигнатур и топологий, то они никак не могут являться частями одного (плоскоготрехмерного) пространства. Мне кажет, что здесь я достаточно показалнесостоятельность теории Канта с точки зрения современной науки, поэтому небудем углублять критику, а лучше обратимся к более важным и реалистичнымпарадигмам, тем более, что нас ждет новая эпоха – время релятивизма.

4. Относительноотносительности

Сложно оценить насколькогромадный вклад в учение о пространстве внес немецкий математик Риман. Егомысли были столь прогрессивны, что полностью не исчерпаны даже в современнойфизике. Эйнштейн многое взял у Римана, от части развенчивая первого, можно дажесказать, что идеология ОТО заложена еще в работах Римана середины прошлого(позапрошлого) века. Взгляды Римана наиболее компактно изложены в лекции [9],прочитанной 10 июня 1854 года (опубликовано в 1868 г.

Риман вводит понятиеn-протяженной величины, что на более понятном нам языке означает многомерноепространство. Естественно представить его можно только аналитически, а ни какне вообразить себе его наглядно. Математика того времени, как раз начала ужеоперировать со столь абстрактными объектами, не даваемыми нам повседневнымопытом. Предвидя возможные возражения и непонимание у современников, Римандолго в своей работе разъясняет понятие многомерности. Сейчас множественностьпространственно-временных измерений встречается в физике довольно часто, нотогда такое обобщение многим казалось необоснованным. Некоторые предостережениядавали позитивисты того времени, в том числе и Мах [7], но, впрочем, ониразделяли позицию Римана. Возник новый вопрос: “Почему пространство трехмерно?”

Первым применениеммногомерности можно назвать четырехмерное пространство Минковского, где нарядус ординарными пространственными измерениями фигурирует время. Не вдаваясь вматематические пояснения, скажу, что, однако, у нового измерения есть некоторыезамечательные особенности, и как следствие метрика такого пространстваоказывается индефинитной. Вообще говоря мало ввести еще одно число, какизмерение, например температуру данной точки. Новая координата должна быть“однородной” с остальными, должны существовать преобразования “связывающие”друг с другом различные измерения (в случае с температурой их нет). Длячетырехмерного пространства-времени Минковского такими преобразованиямиявляются преобразования Лоренца, имеющими, как показал Эйнштейн, физическийсмысл.

Вот мы плавно и перешли кобсуждению специальной теории относительности (СТО). Эйнштейн ввел постулат оразличимости физических процессов и об одинаковости скорости света в разныхинерциальных системах отсчета. Далее математическими выкладками не сложнополучить все “чудеса” СТО такие как замедление времени движущихся часов,сокращение длины и проч. Но на мой взгляд важнее все именно констатациячетырехмерности нашего пространства. Повороты, или так называемые бусты, впространстве Минковского эквивалентны переходу в движущуюся систему отсчета,где уже будут несколько другими временные и пространственные координаты, что иприводит к перечисленным релятивистским эффектам.

Но стоит заметить, это моемнение, хотя в нем я и не до конца тверд, что пространство-время в СТО все жеабсолютно(!), вопреки распространенному обратному мнению. За исключениемчетвертого измерения, оно вполне аналогично ньтоновскому (см. выше), т.е.положение и скорость тел измеряется по отношению к координатной системе, а неотносительно других тел. Определение же этой самой инерциальной системыкоординат умалчивается. Все те же постулаты Ньютона о пространстве можнопереложить и для пространства-времени с небольшими изменениями. Слово же“относительность” в названии теории связанно с неразличимостью физики вразличных, опять таки выделенных априори, инерциальных системах. Вся критикаМаха в такой же степени применима к Эйнштейну как и к Ньютону.

 Конечно, СТО новаяколоссальная веха, в понимании сущности пространства и времени, того чтопространство и время едины, что они есть проявления единой сущности. Однако иСТО не лишена недостатков. На сей день я не вижу ни одной теории, котораяпреодолела трудности предъявленные Махом, и хотя эти проблемы носятпринципиальный характер, но все же являются понятийными, на полезности теории иее адекватности эксперименту они никак не сказываются, и в конечном счете носятсхоластический характер. Теперь перейдем к истории общей теории относительности(ОТО). Несмотря на похожесть названий, это совершенно разные теории. ОТО – этотеории гравитации.

До начала XIX века все теориипространства подразумевали, так или иначе, справедливость в нашем миреевклидовой геометрии. Но математика здесь внесла свои коррективы, что в течениепрошлого века существенно изменила и философские взгляды на категориипространства, а затем и времени. Я говорю об открытии Лобачевского, Бойяи,Римана неевклидовой геометрии, которую сейчас принято называть дифференциальнойили римановой геометрией. Дело в том, что если отбросить одну из аксиомЕвклида, говорящую о том, что параллельные прямые на плоскости не пересекаются,то теория обобщается на неплоские (искривленные) пространства. Первым этозаметил Лобачевский, который первоначально надеялся получить противоречие, что,если отбросить пятую аксиому Евклида о параллельных, чтобы доказать еенеобходимость включение в ряд постулатов.

Риман развил аппараткриволинейной геометрии и задался вопросом о применимости новой геометрии к нашемумиру. Сформулировать проблему можно так: “А действительно ли наше пространствоплоское?”. Если же объединить представление о пространстве Минковского инеевклидову геометрию, то можно прийти к искривленному четырехмерномупространству-времени. Это и есть основа эйнштейновской ОТО. Оказывается, чтоискривление пространства и времени проявляет себя как поле тяготения. Кривизнав свою очередь обусловлена наличием материи, т. е. вещественные тела и энергияявляются вызывают искривление пространсва-времени. Эту связь устанавливаетуравнение Эйнштейна (уравнение гравитационного поля) – центральное в ОТО. Нестану перечислять успехи ОТО и многочисленные предсказания, такие как черныедыры и расширение Вселенной – все это очень интересно, но довольно трудно дляизложения не специалистам, и без привлечения сложнейшей математики.

ОТО коренным образом ломаетнаши представления о геометрии мира. Проблему усмотрел еще сам Риман,процитируем по указанной работе [9]. “… речь идет о распространенииэмпирического опыта за пределы непосредственно наблюдаемого – за пределаминеизмеримо большого или неизмеримо малого: за пределами непосредственнонаблюдаемого метрические отношения становятся все менее точными, чего нельзясказать об отношениях протяженности. <…> Если допустим, что теласуществуют независимо от места их нахождения, так что мера кривизны вездепостоянна, то из астрономических наблюдений следует, что <кривизна> неможет быть отлична от нуля; или если она отлична от нуля, то по меньшей мереможно сказать, что часть Вселенной, доступная телескопам, ничтожна по сравнениюсо сферой той же кривизны. Если же такого рода независимости тел от места ихнахождения не отвечает действительности, то из метрических отношений в большомнельзя заключать о метрических отношениях в бесконечно малом: в таком случае вкаждой точке мера кривизны может <…> иметь какие угодно значения, лишь быв целом кривизна доступных измерению частей пространства заметно не отличалосьот нуля. ”

Единственная разница втрактовки проблемы Риманом и современным понимание состоит в том, что Риманвезде разумеет трехмерное пространство, в то время как ОТО имеет дело вискривленным четырехмерным пространством-временем. Вопрос о геометрии вбесконечно большом приводит нас к современной космологии. Кривизну Вселеннойможно заметить их астрономических наблюдений, однако не так как имел в видуРиман (измерение параллакса далеких звезд). В 1929 году американский астрономустановил, что спектр (цвет) далеких галактик искажен в сторону красного, и чемдальше объект, тем сильнее это красное смещение – это есть следствие расширенияВселенной.

Второе замечание Римана,касающиеся бесконечно малых масштабов, до сих пор актуально, т.к. ОТО нельзяиспользовать для очень малых расстояний и промежутков времени, мы и сейчас незнаем, что же представляет из себя пространство-время в бесконечно малом, т.е.какова же его природа. Почему? И как быть?… Читайте дальше.

5. Последнее время

Мы все ближе к самомуинтересному – последним достижениям науки в деле изучения пространства ивремени. Даже если читатель до сих пор не встретил ничего нового для себя впредыдущем изложении, то, надеюсь, скоро он удивится многим, кажущимися напервый взгляд фантастическим, вещам.

В свете ОТО все что есть вмире – это искривленное пространство-время и материя, наполняющая его идвижущаяся в нем. Как любят говорить физики, есть геометрия и вещество.Эйнштейну всю его жизнь не нравилась такая разнородность. Он хотел всеобъяснить только геометрией – вот уж действительно стройная картина мира. Материальныеявления при этом есть какое-то особое проявление “гравитации” или искривлениянекоего нового рода.

К постановке вопроса огеометризации физики первым пришел на самом деле не Альберт Эйнштейн. Гораздораньше (1876 г.) Клиффорд написал резюме “О пространственной теории материи”.Вот те четыре пункта, которые он установил [12].

“1. … малые участкипространства <…> аналогичны небольшим холмам на поверхности, которая всреднем является плоской, а именно: там не справедливы обычные законыгеометрии.

2. … свойство искривленностиили деформации непрерывно переходят с одного участка пространства на другойнаподобие волны.

3. … такое изменение кривизныи есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движениемматерии, будь она весомая или эфирная.

4. … в физическом мире непроисходит ничего, кроме таких изменений…”

Поражает, ведь это былонаписано более столетия назад, до создания не только квантовой механики, но итеории относительности.

Путь решения этой проблемыгеометризации состоял в добавлении измерений к тем четырем, которые установилатеория относительности, дополнительных, проявление которых заключалось бы вдругих (электрических и магнитных) силах, или еще как-нибудь по-другомувидоизменить ОТО – таково было основное направление течения мысли ученых. В20-30-х годах уходящего века появились различные многомерные теории, включающиекроме гравитации геометрическое толкование электромагнетизма. Одной из самыхпростых подобных теорий была теория Калуцы [11]. Он ввел пятое измерение, темсамым объяснив электромагнетизм, но его модель содержала побочные предсказания,которые не нашли отражения в действительности, и теория в целом оказаласьнежизнеспособной, как и ряд других подобных гипотез того времени. Эйнштейн доконца жизни не оставлял своей программы геометризации физики, но так и не нашелзаветную Единую теорию поля. Трудностей добавило открытие кроме того новогосорта (ядерных) сил, объяснение которых тоже требовалось включить в теорию.

Коль скоро разговор зашел омногомерных теориях, стоит упомянуть, что уже в конце 70-х годов ХХ века физикиснова пришли к экстраизмерениям. Это связанно с теорией струн – одним изподходов на пути объединения всех видов взаимодействий в физике. Выяснилось,что различные виды струн могут существовать только в пространствах определеннойразмерности. Такой критической размерностью для так называемых суперструнявляются 10 измерений. Куда же деть 6 лишних измерений? Ведь мы видим всего 4из них (3 пространственных и одно время). Для этого был придуман принципкомпактификации, согласно которому “лишние” измерения “свернуты” до стольмалого масштаба, что до сих пор не приводили к опытным следствиям.

В то же время Пероуз показал[5], что наличие именно трех пространственных измерений и одного временногонапрямую следует из существования спинорной структуры. Если пространство-времянаделено такой структурой (а оно такой структурой действительно обладает, т. к.существуют частицы со спином ½), то оно, однозначно, будет толькочетырехмерным с тремя пространственными измерениями и единственным временем.Это впечатляет, хотя я здесь и не могу раскрыть достаточно полно этот момент идоступно объяснить, что есть спинорная структура. Непосвященному читателюпридется и так поверить в полученные выводы.

Другой, еще более революционной,теорией, появившейся в ХХ века стала квантовая механика. Хотя она на прямую ине связана с понятиями пространства и времени, используя “готовую” теориюотносительности, квантовая механика тем не менее и здесь внесла новизну. Яговорю о предсказании существования так называемых виртуальных частиц. Дело втом, что даже в пустом пространстве постоянно идет процесс рождения и гибеливиртуальных пар частица-анитичатица, происходит, как говорят, кипение вакуума.Причем это кипение никаким образом нельзя остановить или усилить, его причиналежит именно в квантовой неопределнности, физические поля не могут польностьюобратиться в ноль ни при каких условиях, всегда существуют так называемыенулевые колебания, флуктуации около нуля. Для нас это имеет самое решительноезначение, т.к. пространство, оказывается, всегда чем-то заполненным, не можетбыть в принципе(!) пустого пространства, есть физический вакуум. Нет и“пустого”, “не наполненного” событиями времени, всегда есть процессрождения-гибели виртуальных пар. Вспомним, этим вопросом о существованиипустого пространства и времени, “если ничего не происходит”, как раз изадавался Декарт и другие философы. Так современная физика дали однозначныйответ, на один из древних вопросов.

Но главную проблему длятеории гравитации Эйнштейна квантовая механика создает в другом. Принципнеопределенности Гейзенберга и вероятностную трактовку всех явлений надорасширить на само пространство-время. “Вероятностная геометрия” (хорошо бызвучало) это уже что-то совсем поразительное. Скажу сразу, этот вопрос до сихпор не решен, является одним из центральных в фундаментальной теоретическойфизике начале третьего тысячелетия и носит название – квантовая гравитация (точем и занимается автор реферата).

Кстати, Эйнштейн до концасвоих дней был противником квантовой механики и считал ее лишь временнойтеорией, хорошо описывающей явления микромира на данном этапе, однако, еепринципиальная сторона Альберту не нравилась, “бог не играет в кости”, – любилон говорить, возражая против вероятностной трактовки, существующей в квантовойфизики. Природа квантовых явлений на самом деле, считал Эйнштейн, лежит глубже,есть скрытые параметры, а мы не зная их можем вычислять явления лишь с той илииной вероятностью. Некоторые придерживаются мнения, что суть квантовых явленийв особом поведении пространства-времени на малых масштабах. Но, скажу, этосейчас не является общепризнанной позицией, квантовая механика принятаподавляющим большинством физиков как фундаментальная теория.

Теперь объясню, как квантоваямеханика, “мешает” теории гравитации Эйнштейна. Дело в том, что как и другиефизические поля, гравитационное поле подвержено квантовым флуктуациям, эдакомудрожанию, неопределенности. Именно об этом и говорил в свое втором замечании,которое касается бесконечно малого, Риман (см выше). Риман, конечно, не имел ипредставления о квантовой физике, но он правильно предостерег нас, что нельзяавтоматически считать пространство плоским в малом, если оно плоское намакроскопическом масштабе. Чтобы непосвященный читатель понял, я приведусравнение с морем. Море плоское, однако если вглядеться, то на поверхности водыесть рябь, т.е. в малом поверхность воды отнюдь не плоская.

Размер этой неопределенностипространства-времени крайне мал. Из простых соображений можно указать масштаб,на котором эти флуктуации становятся столь значительными, он называетсяпланковским масшатабом. “Квант” простраственной длины равен приблизительно 10-33см, а “квант” времени 10-43 сек. То, на сколько это ничтожныевеличины, можно понять если размер электрона равен 10-13 см. Т.е.планковская длина на 20 (!) порядков меньше размеров электрона. На таких малыхрасстояниях и промежутках времени физика пространства-времени должна (именнодолжна, а не “может быть”) сильно отличаться от привычной, и ОТО АльбертаЭйнштейна не применима (становится неправильной).

К сожалению на современномэтапе мы можем лишь только догадываться, что делается на таких масштабах. Нанастоящем этапе нет ни последовательной теории, ни возможности проведенияэксперимента в области квантовой гравитации. Хоть я и использовал (замечу вкавычках) термины “квант пространства”, “квант времени” их нельзя пока считатьчем-то дискретным или вкладывать какой-либо другой смысл, т.к., повторю, чтоэто – мы не знаем, а лишь можем оценить по порядку величины планковскиймасштаб.

Все без исключения теории,имеющие дело с пространством-временем, до сих пор считают эти его непрерывныммногообразием, это подразумевал Ньютон, это подразумевал Эйнштейн, это принятосейчас. Однако, если мы откажемся от представления, что пространство-время –непрерывное многообразие без края (по сути это началось с Декарта), а будемсчитать его множеством более общего типа, то, видимо, как отмечает американскийматематик Пенроуз [5], мы придем к новой физике и к новому пониманию природыпространства. Такие попытки делались (некоторые из них описывает Блохинцев[12]), но они настолько слабы, что даже назвать их гипотезами довольно трудно.Это и понятно, ведь помыслить пространство не непрерывным, или каким-то, можетбыть, еще более странным, и развить соответствующую теорию не удается пока даженам, людям, уже привыкшим к революциям в мировоззрении.

6. Не конец

Мне кажется, я достаточно полно осветил, основныепредставления о пространстве и времени, существовавшие на протяжении веков.Основной прогресс, однако, в понимании сути был достигнут лишь в уходящем векев связи с бурными изменениями в физике. Хотя, говорить, что стала окончательноясна суть, конечно рано. Сейчас судьба вопроса всецело в руках физики, как идолжно быть, и, надеюсь, скоро, с созданием теории квантовой гравитации, мыстанем обладателями нового, еще более полного и правильного, понимания того,что же такое пространство и время. Поэтому ставлю многоточие…