5.3. Пространство и время — формы бытия материи (Орлов)

Многообразие форм пространства и времени

В течение многих столетий полагали, что реальное пространс­тво может быть только прямолинейным, каким его описал еще в III в. до н. э. древнегреческий математик Евклид. Пространство непосредс­твенно окружающего нас макромира, евклидово пространство, харак­теризуется прямой линией, лишенной кривизны плоскостью; сумма углов треугольника в таком пространстве равна 2d. Важнейшие свойс­тва прямолинейного пространства выражаются постулатом о парал­лельных прямых, согласно которому через точку на плоскости, не ле­жащую на данной прямой, можно провести одну и только одну пря­мую, параллельную данной прямой. Однако в XIX в. ряд выдающихся математиков почти одновременно пришли к мысли о возможности су­ществования пространства с принципиально иной геометрией. Исходя из ясно осознанного представления о зависимости метрики пространс­тва от материальных тел, НИ Лобачевский (1792-1856) разработал первый вариант геометрии криволинейного пространства (1826), в ко­торой через точку на плоскости можно провести более одной прямой, параллельной данной, сумма углов треугольника меньше 2d и т.д.

Пространство Лобачевс­кого можно представить (правда, только в двух измерениях) в виде во­гнутого пространства граммофонной трубы. В трех измерениях криво­линейное пространство наглядно непредставимо. Близкие варианты криволинейной геометрии были разработаны венгерским математиком Я. Болъяи и немецким математиком К. Ф. Гауссом. Несколькими деся­тилетиями позже вариант геометрии выпуклого пространства (где сумма углов треугольника больше 2d) создал немецкий математик. Б. Римом (1854),

Появление неевклидовой геометрии представляло собой круп­ный революционный шаг в развитии естествознания, хотя полностью значение этого шага было осознано только в XX в. с появлением тео­рии относительности.

Современные физические представления о пространстве и вре­мени связаны с одной из величайших физических теорий — специаль­ной (1905) и общей (1915-1916) теорией относительности. А Эйнштейна

Возникновение теории относительности как новой обобща­ющей физической теории, отличной от господствовавшей несколько веков теории Ньютона, было вызвано потребностями развития физи­ки, стремлением к объединению физического знания. Специальная теория относительности (СТО) основывается на двух принципах: по­стоянства скорости света в пустоте и относительности. Согласно первому принципу или постулату скорость света в пустоте является предельной скоростью физического взаимодействия. Постулат относи­тельности утверждает, что законы электромагнитных явлений инвари­антны, независимы от равномерного и прямолинейного движения систем. На основе этих принципов Эйнштейн разработал теорию фи­зического пространства и времени, в которой последние оказываются зависимыми от движения физических тел. по мере приближения ско­рости движения тел к скорости света протяженность тел сокращается, а время течет медленнее.

Сокращение длины движущегося тела нельзя понимать букваль­но, как физическое сокращение расстояний между молекулами, физи­ческое сжатие. Точно так же не следует буквально понимать замедле­ние течения времени. Эйнштейн открыл весьма фундаментальное свойство пространства и времени — быть объективно различными в различных физических системах.

Представим, что с Земли отправляется в космическое путешес­твие ракета, движущаяся со скоростью, составляющей 0,9999 скоро­сти света Допустим, что в системе ракеты реально истек один год, т. е люди постарели на один год, пружинные часы, находящиеся на ракете, отметили промежуток времени, равный одному году, радиоак­тивные вещества подверглись распаду в количестве, соответствующем одному году, и т. д. В то же время на Земле так же реально истечет 70 лет, т е. вернувшиеся на ракете люди, постаревшие всего на один год, встретятся на Земле со своими детьми или даже внуками, которые бу­дут старше их.

СТО впервые ввела в науку также представление о тесной вза­имосвязи и взаимодополнительности пространства и времени. С точки зрения СТО поведение любого тела можно описать только с помощью четырех взаимозависимых координат — трех пространственных и вре­менной. Физические процессы протекают в “четырехмерном про­странстве” (“четырехмерном мире Минковского”), что, разумеется, нельзя понимать буквально, как существование собственно пространс­тва с четырьмя измерениями

СТО объединила физические представления только примените­льно к так называемым “инерциальным системам”, т.е. системам, дви­жущимся равномерно и прямолинейно. Общая теория относительно­сти (ОТО) представляет собой дальнейшее обобщение физической теории, относящейся к любым, инерциальным и неинерциальным, сис­темам. Центральным постулатом ОТО является принцип эквивалентно­сти инерциальной и гравитационной масс. ОТО исходит из признания наиболее широким и универсальным физическим взаимодействием в видимой Вселенной тяготения, которое определяет свойства про­странства и времени. Поэтому ОТО один из крупнейших физиков со­временности В.А. Фок назвал общей теорией тяготения С позиций ОТО протяженность и длительность зависят от интенсивности грави­тации: чем интенсивнее поле тяготения, тем меньше протяженность и медленнее течет время. Однако еще больший интерес представляет введенное Ото понятие о кривизне пространства, связанного с самой природой поля тяготения.

Представление о кривизне пространства тяготения получило блестящее подтверждение в наблюдениях солнечного затмения (1919 г.), которое происхо­дило на фоне группы ярких звезд, что позволило вычислить наблюдаемую вели­чину кривизны околосолнечного пространства. Эта величина оказалась весьма близкой той, которую определил ранее Эйнштейн

На основе ОТО возникла релятивистская космология, в кото­рой выдвинут ряд моделей видимой Вселенной.

А.А.Фридман: уравнения ОТО допуска­ют решения, которые рассматривают видимую Вселенную как эволю­ционирующую. Эволюция видимой Вселенной заключается прежде всего в ее расширении, в процессе которого происходит образование наблюдаемых в настоящее время физических объектов — вещества, поля, элементарных частиц, галактик, небесных тел и т. д. Благодаря открытию Хабблом (1929) “красного смещения” спектра удаленных галактик, которое было истолковано (на основе “эффекта Допплера”) как свидетельство “разбегания галактик”, а также “реликтового излу­чения” с температурой примерно 3°К, была разработана теория “горя­чей Вселенной”, или, иначе, расширяющейся Вселенной. Согласно этой теории наша Вселенная (Метагалактика) 15-20 млрд. лет назад возникла в результате космического Большого взрыва, которому пред­шествовало так называемое “сингулярное” (“особенное”) состояние, когда материя видимой Вселенной была “стянута в точку”, находилась в сверхплотном состоянии, характеризующемся бесконечной плотно­стью, температурой, кривизной пространства Представление о сингу­лярном состоянии как “стянутой в точку” материи с бесконечными значениями физических величин является, конечно, идеализацией, по­скольку физика не располагала средствами установить размеры (ради­ус) видимой Вселенной в ее исходном сверхплотном состоянии.

Вопрос о свойствах пространства видимой Вселенной и связан­ный с ним вопрос о ее будущем может быть решен в зависимости от реальной величины средней плотности физической материи в види­мой Вселенной, что может быть сделано только на основе эмпиричес­ких наблюдений. В релятивистской космологии принято, что сущес­твует критическая величина средней плотности, равная приблизитель­но 10~² г/см³, т. е. 10 атомам водорода в одном кубическом метре.

А) Ес­ли реальная средняя плотность материи меньше критической, про­странство видимой Вселенной обладает отрицательной кривизной, а расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно (модель “от­крытой Вселенной”). Согласно этой модели во Вселенной через 10³³ и более лет распадутся все протоны, вещество превратится в разряжен­ный газ электронов, позитронов, фотонов, а в интервале от 10⁶⁰ до 10¹⁰⁰ лет испарятся и так называемые “черные дыры” (сверхплотные состояния вещества, возникающие в результате гравитационного “кол­лапса”, в которых тяготение “запирает” световое излучение)⁴.

Б) Если средняя плотность материи оказывается больше критичес­кой, расширение Вселенной в будущем сменится сжатием, коллапсом, в результате которого возникнет новое сингулярное состояние. Со­гласно С. Вайнбергу, единственная альтернатива человечеству во Все­ленной — “либо быть сожженными в закрытой Вселенной, либо быть замороженными — в открытой”⁵.

С релятивистской космологией, появлением концепции эволю­ционирующей Вселенной в физику и космологию, их фундаменталь­ные концепции впервые входит глубокая идея развития, физика стано­вится эволюционной наукой.