Характеристики пространства, его трехмерность, однородность, изотропность. Характеристики времени, его анизотропность

В науке и пространство, и время рассматриваются как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой.

Пространство и время – всеобщие и необходимые объективные формы бытия материи. «В мире, – писал В. И. Ленин, – нет ничего, кроме движущейся материи, а движущаяся материя не может двигаться иначе, чем в пространстве и времени».

Существуют две альтернативные возможности: либо и пространство, и время бесконечно делимы на части (то есть континуальны, непрерывны), либо и то, и другое дискретно, что традиционно понимается как наличие для них принципиального предела (конечности) процесса деления на составные части. Возникшая еще в рамках натурфилософии гипотеза оконтинуальности, бесконечной делимости пространства и временивошла в физические представления классической науки и остается господствующей до сегодняшнего дня.

В перечень наиболее фундаментальных физических свойств реального пространства, выделенных И. Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии» (1687) включают:

–         непрерывность – между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они ни находились, всегда есть третья;

–         однородность – в пространстве нет выделенных точек, все они равноправны, параллельный перенос не изменяет вид законов природы;

–         изотропность – в пространстве нет выделенных направлений, поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы;

–         трехмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – декартовых координат. Систему координат, состоящую из трехвзаимно перпендикулярных осей, проходящих через одну точку, называемую началом координат, предложил Рене Декарт (1596–1650). Оси системы могут быть произвольно ориентированы относительно земли, направления силы тяжести. Обычно ось, направленную вперед-назад обозначают буквой “X” (абсцисса), вправо-влево – буквой “Y” (ордината), и вверх-вниз – буквой “Z” (аппликата). Таким образом, декартово пространство – трехмерное пространство;

–         “евклидовость” – пространство описывается геометрией Евклида, в которой параллельные прямые не пересекаются, а сумма внутренних углов треугольника равна 180°. Представления о геометрии пространства существенно изменились с созданием общей теории относительности, в рамках этой теории показано, что под действием материи пространство становится неевклидовым.

К фундаментальным физическим свойствам реального времениотносят:

–         непрерывность – между двумя моментами времени, как близко бы они ни располагались, всегда можно выделить третий;

–         однородность – во времени нет выделенных точек, точка отсчета времени не имеет значения, она не меняет длительность;

–         одномерность – каждая точка времени однозначно определяется одним действительным числом.

Что касается вопроса об изотропностивремени, то есть независимости законов природы от его направления, то напомним, что законы классической механики не изменяются при смене знака времени. Поэтому классическая физика абстрагировалась от чувственного опыта об однонаправленном течении времени.

По выражению И. Пригожина, «для большинства основателей классической науки (и даже А. Эйнштейна) наука была попыткой выйти за рамки мира наблюдаемого, достичь вневременного мира высшей рациональности – мира Спинозы». Фактически все картины мира, рожденные точной наукой, освобождены от развития, «отрицают время».

Ньютон не только исключил время из своей картины Вселенной, но и утвердил его в сознании как внешний параметр. Стало возможным рассматривать непрерывные периодические процессы равной длительности для построения модели, легко вводить метрику времени.

С позиций современной науки особым свойством времени является его однонаправленность, илинеобратимость. Это свойство времени рассматривают как следствиевторого начала термодинамики, или закона возрастания энтропии. Если бы время потекло вспять, этот закон стал бы законом уменьшения энтропии. Таким образом,анизотропность времени –это зависимость законов природы от поворота времени.

Для естественных наук важно определение количественных характеристик: расстояния между объектами, длительности процессов. Измерить расстояние между двумя объектами – значит сравнить его с эталонным образцом. До недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, геометрическая форма которого слабо изменялась при изменении внешних условий. В качестве единицы длины был выбран метр, отрезок, сравнимый с характерными размерами человеческого тела. Очевидно, что в большинстве случаев эталон не укладывался целое число раз в длину измеряемого отрезка. Оставшаяся часть измерялась при помощи 1/10, 1/100 и т. д. части эталона.

В принципе считалось, что такую процедуру можно продолжать до бесконечности, в результате чего получалось бы точное значение длины, выражаемое бесконечной десятичной дробью, то есть вещественным числом. На практике многократное деление исходного эталона было невозможно. Для повышения точности измерения и измерения малых отрезков потребовался эталон существенно меньших размеров, в качестве которого по настоящее время используются стоячие электромагнитные волны оптического диапазона.

В природе существуют объекты, значительно меньшие, чем длины волн оптического излучения (молекулы, атомы, элементарные частицы). При их измерениях возникает проблема: объекты, размеры которых меньше длины волны электромагнитного излучения, перестают его отражать и, следовательно, оказываются невидимыми. Для оценки размеров таких объектов свет заменяют потоком каких-либо элементарных частиц (электронов, нейтронов и т. д.). Величина объектов оценивается по так называемым сечениям рассеяния, определяемым отношениемчисла частиц, изменивших направления своего движения, к плотности падающего потока. Наименьшим расстоянием, известным в настоящее время, является характерный размер элементарной частицы. Говорить о меньших размерах, по-видимому, бессмысленно.

При измерении расстояний, значительно превышающих один метр, пользоваться эталоном длины вновь оказывается неудобно. Для измерения расстояний, сравнимых с размерами Земли, применяют методы триангуляции (определение большей стороны треугольника по точно измеренной меньшей стороне и двум углам) и радиолокации (измерение времени задержки отраженного сигнала, скорость распространения которого известна, относительно момента передачи). Для расстояний до удаленных звезд и соседних галактик указанные методы оказываются неприменимыми (отраженный радиосигнал оказывается слишком слабым, углы треугольника отличаются на слишком малую величину). На столь больших расстояниях наблюдаемыми оказываются только самосветящиеся объекты (звезды и галактики), расстояния до них оценивается исходя из наблюдаемой яркости.

Измерить длительность процесса – значит сравнить и его с эталонным образцом. В качестве последнего выбирают какой-либо периодически повторяющийся процесс (суточное вращение Земли, биение человеческого сердца, колебание маятника, движение электрона вокруг ядра атома). Долгое время в качестве эталонного процесса использовались колебания маятника. За единицу измерения времени выбрали секунду (интервал, примерно равный периоду сокращения сердечной мышцы человека).

Для измерения значительно более коротких времен возникла необходимость в новых эталонах. В их роли выступили колебания кристаллической решетки и движение электронов в атоме (атомные часы). Еще меньшие времена можно измерять, сравнивая их со временем прохождения света через заданный промежуток. По-видимому, наименьшим осмысленным интервалом является время прохождения света через минимально возможное расстояние.

При помощи маятниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосходящих одну секунду, но и здесь возможности метода не беспредельны. Времена, сравнимые с возрастом Земли (около 5 млрд лет), возможно оценивать лишь по полураспаду атомов радиоактивных элементов. Максимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить в нашем мире, по-видимому, является возраст Вселенной, оцениваемый периодом в двадцать миллиардов лет.

В классическом естествознании, занимающимся главным образом описанием макроскопических, то есть сравнимых с размерами человеческого тела, объектов, предполагается, что процедура измерения основных пространственно-временных характеристик в принципе может быть выполнена сколь угодно точно и при этом может практически не влиять на измеряемый объект и происходящие с ним процессы.