Основные свойства пространства и времени
Пространство и время как формы координации материальных объектов обладают свойствами, изучение которых сыграло выдающуюся роль в развитии физики. Этими свойствами являются трехмерность пространства и одномерность и необратимость времени, однородность и изотропность пространства и, Наконец, однородность времени.
Трехмерность пространства представляет собой эмпирически констатируемое фундаментальное его свойство, которое выражается в том, что положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин. Здесь существенно наличие именно независимых величин, а не конкретный их ^врактер, ибо последний зависит от выбираемого познающим субъектом способа описания положения тел в пространстве (проще говоря, от используемой системы координат). В прямоугольной декартовой системе координат это будут координаты X, Y, Z, обычно называемые длиной, шириной и высотой; в сферической системе координат это будут радиус-вектор г и углы lt;р и и; в цилиндрической системе — высота Z, радиус-вектор г и угол ф и т. д. Разумеется, если положение точки в пространстве задано в одной системе координат, то по соответствующим формулам можно всегда перейти к любой другой системе. Применение той или иной системы координат есть лишь вопрос практического удобства; объективным фактом является необходимость использования трех независимых величин для характеристики лоложе- ния тела в пространстве.
Наряду с понятием трехмерного пространства в науке широко используется понятие многомерного (я-мерного) пространства, или л-мерного многообразия. И хотя в мало-мальски серьезной литературе понимание действительного смысла этого понятия не вызывает сколько-нибудь значительных затруднений, тем не менее в околонаучной литературе нет недостатка в сомнительных спекуляциях вокруг и-мерных пространств. За них, например, ухватилось одно из самых диких суеверий — спиритизм, провозгласивший, что духи существуют в четвертом измерении и оттуда проникают в наш мир.
На самом деле никакого четвертого, пятого и т. д. пространственного измерения, разумеется, нет, реальное пространство трехмерно, а понятие я-мерного пространства представляет собой типичный пример математического обобщения[CL], я-мерные пространства оказываются весьма полезными в математике, ибо позволяют применить геометрический аппарат к таким ее областям, как, например, векторный анализ, функциональный анализ и т. д. Совсем иначе обстоит дело с современными космологическими построениями, оперирующими понятиями 10- и/или 11-мерного пространства-времени, о чем пойдет речь далее.
Понятие «-мерного пространства является математической абстракцией, позволяющей применить ранее разработанный геометрический аппарат к изучению новых сторон действительности. Это не пустая фикция, а тоже отражение действительности, но отражение не ее пространственных свойств, а самых разнообразных иных свойств, которые в определенном отношении оказываются как бы пространственно-подобными.
В отличие от пространства время одномерно и необратимо. Одномерность его означает, что для фиксации положения объекта (события) во времени достаточно одной величины — промежутка времени t, протекшего от некоторого начала отсчета t = 0. Важнейшей чертой времени является его необратимость. Пространство «обратимо» в том смысле, что в любую его точку можно попасть и дважды, и трижды и т. д. Во времени это невозможно — оно необратимо течет от прошлого через настоящее к будущему, в одну и ту же временною точку нельзя попасть дважды, нельзя вернуться в прошлое и т. п.
Идея необратимости времени навязывается человеку непосредственным опытом его психической жизни. В своем сознании каждый человек четко различает непосредственное переживание и воспоминание о чем-либо. То, что воспроизводится с помощью памяти, образует прошлое, а непосредственно переживаемое — настоящее. Отсюда рождается мысль вообще вывести направленность (необратимость) времени из особенностей нашего сознания.
Материализм не может согласиться с такой трактовкой вопроса.
Исходя из объективности времени, и его необратимость надо выводить не из сознания, а из свойств объективных процессов. Весьма распространенной является точка зрения, согласно которой необратимость времени выводится из причинности. Причем обычно просто заявляют, что раз причина предшествует действию во времени, то этим и определяется направление времени. Но это неверно. Во-первых, в чисто механических процессах существует «причинная связь явлений, находящая свое выражение в действии законов природы», а именно в законах Механики. Однако законы механики безразличны к знаку времени, они одинаково справедливы и при положительном t, и при Замене t на т. е. при обращении направления времени. Во-вторых, попытка использовать для определения направления ьРемени факт предшествования причины действию уже предполагает данным это направление (ибо иначе теряет всякий смысл фраза: «Причина предшествует действию»). Следовательно, эта попытка содержит логический круг. Необратимость (однонаправленность) времени представляет собой фундаментальное свойство действительности, и попытка логической дедукции его из принципа причинности дает, на наш взгляд, чисто иллюзорное объяснение. Речь должна идти не о дедукции одной философской категории из другой (необратимости из причинности), а о том, находит ли необратимость времени выражение в фундаментальных естественно-научных законах, и если находит, то в чем это раскрывается.В противоположность субъективистским взглядам на время, выводящим присущую ему необратимость из свойств нашего сознания, наука в полном соответствии с материализмом раскрывает объективный характер необратимости времени. В макроскопических процессах эта необратимость находит свое отражение в законе возрастания энтропии. Этот закон, как мы знаем, утверждает, что в любой замкнутой системе энтропия никогда не убывает, она возрастает или в пределе остается постоянной. Процессы, в которых энтропия увеличивается, называются необратимыми, в которых она остается постоянной — обратимыми.
Первые не могут протекать в обратном направлении, вторые могут. Однако последние «представляют собой, разумеется, идеальный предельный случай; реально происходящие в природе процессы могут быть обратимыми лишь с большей или меньшей степенью точности». Необратимость и обусловливает (выражает) физическую неэквивалентность двух направлений времени: прошлое и будущее различаются как состояния с соответственно меньшей и большей энтропией. Для микромира вопрос о необратимости времени должен решаться на основе теории микропроцессов — квантовой механики. На первый взгляд кажется, что здесь оба направления времени равноправны. Действительно, основное уравнение квантовой механики — уравнение Шрёдингера симметрично по отношению к изменению знака времени (как и основное уравнение классической механики — второй закон Ньютона). Но, как указывают Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц, несмотря на эту симметрию, квантовая механика содержит в себе физическую неэквивалентность двух направлений времени, связанную с основным для нее процессом взаимодействия квантового объекта с классическим объек- you (т. е. системой, с достаточной точностью подчиняющейся классической механике). «...Если с данным квантовым объектом последовательно происходят два процесса взаимодействия (назовем их А и В), то утверждение, что вероятность того или иного результата процесса В определяется результатом процесса А, может быть справедливо лишь в том случае, если процесс А имел место раньше процесса В» [Ландау, Лифшиц, 1976, с. 48].Отмеченное обстоятельство и делает взаимодействие квантового объекта с классическим необратимым, приводящим к появлению различия между прошедшим и будущим. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц идут дальше и выдвигают предположение, что, возможно, вообще закон возрастания энтропии является своеобразным «макроскопическим» выражением физической неэквивалентности обоих направлений времени в процессах взаимодействия квантовых объектов с классическими. Если это действительно так, «то должно существовать содержащее квантовую постоянную h неравенство, обеспечивающее справедливость этого закона (возрастания энтропии.
¦— Л.Б.) и удовлетворяющееся в реальном мире» [Там же, с. 48—49].Однородность пространства означает равноправие всех его точек, отсутствие каких-либо выделенных точек; изотропность — равноправие всех возможных направлений; наконец, однородность времени проявляется в равноправии всех моментов времени.
Однородность пространства и времени и изотропность пространства выражают фундаментальные свойства мира и связаны с важнейшими законами физики — законами сохранения. В начале XX в. в работах ученых гёттингенской школы Давида Гильберта, Феликса Клейна и Эмми Нетер была сформулирована так называемая теорема Нетер, гласящая, что если свойства системы не меняются от какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. Поскольку независимость свойств от преобразования переменных означает наличие в системе симметрии относительно данного преобразования, постольку теорема Нетер может быть сформулирована как утверждение о том, что наличие в системе симметрии обусловливает существование сохраняющейся для нее физической величины, и наоборот.
Однородность пространства и времени и изотропность пространства как раз и означают инвариантность системы по отношению к определенным преобразованиям переменных: однородность времени — по отношению к сдвигам времени, т. е. к изменению начала отсчета; однородность пространства — по отношению к сдвигам в пространстве, т. е. к переносу начала координат; изотропность пространства — по отношению к повороту осей системы координат в пространстве. Отсюда вытекают наиболее фундаментальные законы сохранения: симметрии относительно сдвига времени (т. е. однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (т. е. однородности пространства) — закон сохранения импульса; симметрии относительно поворота координатных осей (т. е. изотропности пространства) — закон сохранения момента импульса (углового момента). Теорема Нетер, таким образом, показывает, что пространство и время действительно являются формами существования материи, их свойства находят свое выражение в фундаментальных законах, определяющих течение материальных процессов.
Однородность и изотропность пространства и однородность времени связаны не только с фундаментальными законами сохранения, они лежат и в основе галилеевского принципа относительности, и в основе специальной теории относительности.
Еще по теме Основные свойства пространства и времени:
- 3.3. Пространственно-временной континуум всеобщности субъекта
- ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ И НООСФЕРА АКАДЕМИКА В. И. ВЕРНАДСКОГО
- ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЦЕРКВИ
- АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОСТИ (И ВРЕМЕНИ) В ХУДОЖЕСТВЕННО-ИЗОБРАЗИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВЕДЕНИЯХ
- 1.3 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЕДИНИЦ ИНФОРМАЦИИ
- ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ. НАЦИОНАЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ
- §1. Может ли пространство быть непрерывным, а время — дискретным?
- Структурность геопространства.
- Общая характеристика пространства и времени и их основные свойства
- Основные свойства пространства и времени
- Геометрия и физика. Неразрывная связь пространства-времени с материей
- Способы представления времени в учениях о сознании и познании
- Представление времени в гуманитарном знании