Основные концепции пространства и времени в физике. Пространство и время в классической физике Что такое пространство в физике

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

Категории, обозначающие осн. формы существования материи. Пр-во (П.) выражает порядок сосуществования отд. объектов, (В.) - порядок смены явлений. П. и в.- осн. понятия всех разделов физики. Они играют гл. роль на эмпирич. уровне физ. познания - непосредств. содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит в фиксации пространственно-временных совпадений. П. и в. служат также одними из важнейших средств конструирования теор. моделей, интерпретирующих эксперим. данные. Обеспечивая отождествление и различение (индивидуализацию) отд. фрагментов материальной действительности, П. и в. имеют решающее значение для построения физ. картины . Св-ва П. и в. делят на м е т р и ч е с к и е (протяжённость и длительность) и топологические (размерность , непрерывность и П. и в., порядок и направление В.). Совр. теорией метрич. св-в П. и в. явл. - специальная (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ) и общая (см. ТЯГОТЕНИЕ). Исследование топологич. св-в П. и в. в физике было начато в 60-70-х гг. и пока не вышло из стадии гипотез. Историч. развитие физ. представлений о П. и в. проходило по двум направлениям в тесной связи с разл. философскими представлениями. В начале одного из них лежали идеи Демокрита, приписывающего пустоте особый род бытия. Они нашли наиб. полное физ. воплощение в ньютоновских понятиях абс. П. и абс. В. Согласно И. Ньютону, абс. П. и в. представляли собой самостоят. сущности, к-рые не зависели ни друг от друга, ни от находящихся в них материальных объектов и протекающих в них процессов. Др. направление развития представлений о П. и в. восходит к Аристотелю и было разработано в философских работах нем. учёного Г. В. Лейбница, трактовавшего П. и в. как определённые типы отношений между объектами и их изменениями, не имеющие самостоят. существования. В физике концепция Лейбница была развита А. Эйнштейном в теории относительности.

Спец. теория относительности выявила зависимость пространств. и временных хар-к объектов от скорости их движения относительно определённой системы отсчёта и объединила П. и в. в единый четырёхмерный п р о с т р а н с т в е н н о-в р е м е н н о й к о н т и н у у м - пространство-время (п.-в.). Общая теория относительности вскрыла зависимость метрич. хар-к п.-в. от распределения тяготеющих (гравитац.) масс, наличие к-рых приводит к искривлению п.-в. В общей теории относительности от характера распределения масс зависят и такие фундам. свойства п.-в., как конечность и бесконечность, к-рые также обнаружили свою относительность.

Взаимосвязь св-в симметрии П. и в. с законами сохранения физ. величин была установлена ещё в классич. физике. Закон сохранения импульса оказался тесно связанным с однородностью П., закон сохранения энергии - с однородностью В., закон сохранения момента кол-ва движения - с изотропностью пр-ва (см. СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ , СИММЕТРИЯ ЗАКОНОВ ФИЗИКИ). В спец. теории относительности эта связь обобщается на четырёхмерное п.-в. Общерелятивистское обобщение последовательно провести пока не удалось.

Серьёзные трудности возникли также при попытке использовать выработанные в классич. (в т. ч. релятивистской), т. е. неквантовой, физике понятия П. и в. для теор. описания явлений в микромире. Уже в нерелятивистской квант. механике оказалось невозможным говорить о траекториях микрочастиц, и применимость понятий П. и в. к теор. описанию микрообъектов была ограничена дополнительности принципом (или неопределённостей соотношением). С принципиальными трудностями встречается экстраполяция макроскопич. понятий П. и в. на микромир в квантовой теории поля (расходимости , отсутствие объединения унитарной симметрии с пространственно-временными, теоремы Уайтмана и Хаага). С целью преодоления этих трудностей был выдвинут ряд предложений по модификации смысла понятий П. и в.- квантование пространства-времени, изменение сигнатуры метрики П. и в., увеличение размерности п.-в., учёт его топологии (геометродинамика) и др. Наиб. радикальной попыткой преодоления трудностей релятивистской квант. теории явл. гипотеза о неприменимости понятий п.-в. к микромиру. Аналогичные соображения высказываются также в связи с попытками осмысления природы нач. сингулярности в модели расширяющейся горячей Вселенной. Большинство физиков, однако, убеждены в универсальности п.-в., признавая необходимость существ. изменения смысла понятий п.-в.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

В физике определяются в общем виде как фундам. структуры координации материальных объектов и их состояний: система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния, ориентацию и т. д.), образует , а система отношений, отображающая координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность, длительность и т. д.), образует время. П. и в. являются организующими структурами разл. уровней физ. познания и играют важную роль в межуровневых взаимоотношениях. Они (или сопряжённые с ними конструкции) во многом определяют структуру (метрическую, топологическую и т. д.) фундам. физ. теорий, задают структуру эмпирич. интерпретации и верификации физ. теорий, структуру операциональных процедур (в основе к-рых лежат фиксации пространственно-временных совпадений в измерит. актах, с учётом специфики используемых физ. взаимодействий), а также организуют физ. картины мира. К такому представлению вёл весь историч. путь концептуального развития.

В наиб. архаичных представлениях П. и в. вообще не вычленялись из материальных объектов и процессов природы (в к-рой достаточно мирно уживались как естественные, так и сверхъестественные персонажи): разл. участки территории обитания наделялись разл. положит. и отрицат. качествами и силами в зависимости от присутствия на них разл. сакральных объектов (захоронения предков, тотемы, храмы и т. д.), а каждому движению было сопричастно своё время. Время также членилось на качественно разл. периоды, благоприятные или зловредные по отношению к жизнедеятельности древних социумов. Ландшафт и календарные циклы выступали запёчатлённым мифом. В дальнейшем развитии мифологич. картина мира стала функционировать в рамках циклич. времени; будущее всегда оказывалось возрождением сакрального прошлого. На страже этого процесса стояла жёсткая идеология (обряды, запреты, табу и т. д.), принципами к-рой нельзя было поступиться, ибо они были призваны не допускать никаких новаций в этот мир вечных повторений, а также отрицали историю и историч. время (т. е. линейное время). Такие представления можно рассматривать как архаичный прообраз модели неоднородного и неизотропного П. и в. Учитывая, что развитая мифология пришла к представлению о членении мира на уровни (первоначально на Небо, Землю и Подземный мир, с последующим выяснением "тонкой структуры" двух крайних уровней, напр. седьмое небо, круги ада), можно дать более ёмкое определение П. и в. мифологич. картины мира: циклич. структура времени и многослойный пространства (Ю. М. Лотман). Естественно, это всего лишь совр. реконструкция, в к-рой П. и в. уже абстрагированы от материальных объектов и процессов; что же касается человеческого познания, то оно к подобному абстрагированию пришло не в архаичной мифологии, а в рамках последующих форм обществ. сознания (монотеистич. религия, натурфилософия и т. д.).

Начиная с этого момента, П. и в. получают самостоят. статус в качестве фундам. фона, на к-ром разворачивается природных объектов. Такие идеализированные П. и в. часто даже подвергались обожествлению. В античной натурфилософии происходит рационализация мифо-религиозных представлений: П. и в. трансформируются в фундам. субстанции, в первооснову мира. С этим подходом связана субстанциальная концепция П. и в. Таковы, напр., пустота Демокрита или топос (место) Аристотеля - это разл. модификации концепции пространства как вместилища ("ящик без стенок" и т. д.). Пустота у Демокрита заполнена ато-мистич. материей, а у Аристотеля материя континуальна и заполняет без разрывов - все места заняты. Т. о., аристотелево отрицание пустоты не означает отрицания пространства как вместилища. Субстанциальная концепция времени связана с представлением о вечности, некой неметризованной абс. длительности. Частное эмпирич. время рассматривалось как движущийся образ вечности (Платон). Это время получает числовую оформленность и метризуется с помощью вращения неба (или иных, менее универсальных, периодич. природных процессов) в системе Аристотеля; здесь время выступает уже не как фундам. субстанция, а как система отношений ("раньше", "позже", "одновременно" и т. д.) и реализуется реляционная концепция. Ей соответствует реляционная концепция пространства как система отношений материальных объектов и их состояний.

Субстанциальная и реляционная концепции П. и в. функционируют соответственно на теоретич. и эмпирич. (или умозрительном и чувственнопостигаемом) уровнях натурфилософских и естественнонауч. систем. В ходе человеческого познания происходит конкуренция и смена подобных систем, что сопровождается существенным развитием и изменением представлений о П. и в. Это достаточно чётко проявилось уже в античной натурфилософии: во-первых, в отличие от бесконечной пустоты Демокрита, пространство Аристотеля конечно и ограниченно, ибо сфера неподвижных звёзд пространственно замыкает космос; во-вторых, если пустота Демокрита является началом субстанциально-пассивным, лишь необходимым условием движения атомов, то эпос является началом субстанциально-активным и любое место наделено своей специфич. силой. Последнее характеризует динамику Аристотеля, на базе к-рой была создана геоцентрич. космологич. модель. Космос Аристотеля чётко разделён на земной (подлунный) и небесный уровни. Материальные объекты подлунного мира участвуют либо в прямолинейных естеств. движениях и движутся к своим естеств. местам (напр., тяжёлые тела устремляются к центру Земли), либо в вынужденных движениях, к-рые продолжаются, пока на них действует движущая . Небесный мир состоит из эфирных тел, пребывающих в бесконечном совершенном круговом естеств. движении. Соответственно в системе Аристотеля была развита матем. астрономия небесного уровня и качеств. (механика) земного уровня мира.

Ещё одно концептуальное достижение Древней Греции, к-рое определило дальнейшее развитие представлений о пространстве (и времени),- это геометрия Евклида, чьи знаменитые "Начала" были развиты в виде аксиоматич. системы и справедливо рассматриваются как древнейшая ветвь физики (А. Эйнштейн) и даже как космологич. теория [К. Поппер (К. Popper), И. Ла-катос (I. Lakatos)]. Картина мира Евклида отлична от аристотелевой и включает в себя представление об однородном и бесконечном пространстве. Евклидова геометрия (и ) не только сыграла роль концептуальной основы классич. механики, определив такие фундам. идеализированные объекты, как пространство, абсолютно твёрдый (самоконгруэнтный) , геометризованный световой и т. д., но и явилась плодотворным матем. аппаратом (языком), с помощью к-рого были разработаны основы классич. механики. Начало классич. механики и сама возможность её построения были связаны с коперниканской революцией 16 в., в ходе к-рой гелиоцентрич. космос предстал как единая конструкция, без деления на качественно отличные небесный и земной уровни.

Дж. Бруно (G. Bruno) разрушил ограничивающую небесную сферу, поместил космос в бесконечное пространство, лишил его центра, заложил основу однородного бесконечного пространства, в рамках к-рого усилиями блестящей плеяды мыслителей [И. Кеплер (I. Kepler), Р. Декарт (R. Descartes), Г. Галилей (G. Galilei), И. Ньютон (I. Newton) и др.] была развита классич. . Уровня систематич. разработки она достигла в знаменитых "Математических началах натуральной философии" Ньютона, к-рый разграничивал в своей системе два типа П. и в.: абсолютные и относительные.

Абсолютное, истинное, матем. время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абс. пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остаётся всегда одинаковым и неподвижным.

Такие П. и в. оказались парадоксальными с точки зрения здравого смысла и конструктивными на теоретич. уровне. Напр., концепция абс. времени парадоксальна потому, что, во-первых, рассмотрение течения времени связано с представлением времени как процесса во времени, что логически неудовлетворительно; во-вторых, трудно принять утверждение о равномерном течении времени, ибо это предполагает, что существует нечто контролирующее потока времени. Более того, если время рассматривается "без всякого отношения к чему-либо внешнему", то какой смысл может иметь предположение, что оно течёт неравномерно?

Если же подобное предположение бессмысленно, то какое значение имеет условие равномерности течения? Конструктивный смысл абсолютных П. и в. стал проясняться в последующих логико-матем. реконструкциях ньютоновой механики, к-рые получили своё относит. завершение в аналитич. механике Лагранжа [можно отметить также реконструкции Д"Аламбера (D"Alambert), У. Гамильтона (W. Hamilton) и др.], в к-рой был полностью элиминирован геометризм "Начал" и механика предстала как раздел анализа. В этом процессе на первый план стали выступать представления о законах сохранения, принципах симметрии, инвариантности и т. д., к-рые позволили рассмотреть классич. физику с единых концептуальных позиций. Была установлена связь осн. законов сохранения с пространственно-временной симметрией [С. Ли (S. Lie), F. Клейн (F. Klein), Э. Нётер (Е. Noether)]: сохранение таких фундам. физ. величин, как , импульс и угл. момент, выступает как следствие того, что П. и в. изотропны и однородны. Абсолютность П. и в., абс. характер длины и временных интервалов, а также абс. характер одновременности событий получили чёткое выражение в Галилея принципе относительности, к-рый можно сформулировать как принцип ковариантности законов механики относительно Галилея преобразований. Т. о., во всех инерциальных системах отсчёта равномерно течёт единое непрерывное абс. время и осуществляется абс. (т. е. одновременность событий не зависит от системы отсчёта, она абсолютна), основой к-рого могли выступать лишь дальнодействующие мгновенные силы - эта роль в ньютоновой системе отводилась тяготению (всемирного тяготения закон). Однако статус дальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субстанциальной природой П. и в. в рамках механич. картины мира.

От абс. пространства Ньютон отличал протяжённость материальных объектов, к-рая выступает как их осн. свойство и есть пространство относительное. Последнее является мерой абс. пространства и может быть представлено как конкретных инерциальных систем отсчёта, находящихся в относит. движении. Соответственно и относит. время есть мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного матем. времени,- это , день, месяц, . Относит. П. и в. постигаемы чувствами, но они являются не перцептуальными, а именно эмпирич. структурами отношений между материальными объектами и событиями. Следует отметить, что в рамках эмпирич. фиксации были вскрыты нек-рые фундам. свойства П. и в., не отражённые на теоретич. уровне классич. механики, напр. трёхмерность пространства или необратимость времени.

Классич. механика до конца 19 в. определяла осн. направление науч. познания, к-рое отождествлялось с познанием механизма явлений, с редукцией любых явлений к механич. моделям и описаниям. Абсолютизации были подвергнуты и механич. представления о П. и в., к-рые были возведены на "Олимп априорности". В философской системе И. Канта (I. Kant) П. и в. стали рассматриваться как априорные (доопытные, врождённые) формы чувственного созерцания. Большинство философов и естествоиспытателей вплоть до 20 в. придерживались этих априористских воззрений, однако уже в 20-х гг. 19 в. были развиты разл. варианты неевклидовых геометрий [К. Гаусс (С. Gauss), H. И. Лобачевский, Я. Больяй (J. Bolyai) и др.], что связано с существенным развитием представлений о пространстве. Математиков давно интересовал вопрос о полноте аксиоматики евклидовой геометрии. В этом отношении наиб. подозрения вызывала аксиома о параллельных. Был получен поразительный результат: оказалось, что можно развить непротиворечивую систему геометрии, отказавшись от аксиомы о параллельных и допустив существование неск. прямых, параллельных данной и проходящих через одну точку. Представить себе такую картину крайне трудно, но учёные уже усвоили гносеологич. урок коперниканской революции - наглядность может быть связана с правдоподобностью, но не обязательно с истиной. Поэтому хотя Лобачевский и называл свою геометрию воображаемой, но поставил вопрос об эмпирич. определении евклидова или неевклидова характера физ. пространства. Б. Риман (В. Riemann) обобщил понятие пространства (куда как частные случаи вошли и всё множество неевклидовых пространств), положив в его основу представление о метрике,- пространство есть трёхмерное , на к-ром можно аналитически задать разл. аксиоматич. системы, и геометрия пространства определяется с помощью шести компонент метрического тензора, заданных как ф-ции координат. Риман ввёл понятие кривизны пространства, к-рое может иметь положит., нулевое и отрицат. значения. В общем случае пространства не обязательно должна быть постоянной, а может меняться от точки к точке. На таком пути были обобщены не только аксиома о параллельных, но и др. аксиомы евклидовой геометрии, что привело к развитию неархимедовых, непаскалевых и др. геометрий, в к-рых пересмотру были подвергнуты многие фундам. свойства пространства, напр. его непрерывность, и т. д. Обобщению было подвергнуто также представление о размерности пространства: была развита теория N -мерных многообразий и стало возможным говорить даже о бесконечномерных пространствах.

Подобная разработка мощного матем. инструментария, существенно обогатившего представления о пространстве, сыграла важную роль в развитии физики 19 в. (многомерные фазовые пространства, экстремальные принципы и т. д.), для к-рой были характерны значит. достижения и в концептуальной сфере: в рамках термодинамики получило явное выражение [У. Томсон (W. Thomson), Р. Клаузиус (R. Clausius) и др.] представление о необратимости времени - закон возрастания энтропии (второе начало термодинамики), а с электродинамикой Фарадея - Максвелла в физику вошли представления о новой реальности - , о существовании привилегиров. системы отсчёта, к-рая неразрывно связана с материализов. аналогом абс. пространства Ньютона, с неподвижным эфиром и т. д. Однако неизмеримо более плодотворными оказались матем. новации 19 в. в революц. преобразованиях физики 20 в.

Революция в физике 20 в. ознаменовалась разработкой таких неклассич. теорий (и соответствующих физ. исследовательских программ), как частная (специальная) и общая теории относительности (см. Относительности теория. Тяготение), квантовая теория поля, релятивистская и др., для к-рых характерно существенное развитие представлений о П. и в.

Теория относительности Эйнштейна была создана как движущихся тел, в основу к-рой были положены новый принцип относительности (относительность обобщалась с механич. явлений на явления эл.-магн. и оптические) и принцип постоянства и предельности скорости света с в пустоте, не зависящей от движения излучающего тела. Эйнштейн показал, что операциональные приёмы, с помощью к-рых устанавливается физ. содержание евклидова пространства в классич. механике, оказались неприменимыми к процессам, протекающим со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Поэтому он начал построение электродинамики движущихся тел с определения одновременности, используя световые сигналы для синхронизации часов. В теории относительности понятие одновременности лишено абс. значения и становится необходимым развить соответствующую теорию преобразования координат ( х, у, z )и времени (t ) при переходе от покоящейся системы отсчёта к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой со скоростью u. В процессе развития этой теории Эйнштейн пришёл к формулировке Лоренца преобразований:

Была выяснена необоснованность двух фундам. положений о П. и в. в классич. механике: промежуток времени между двумя событиями и расстояние между двумя точками твёрдого тела не зависят от состояния движения системы отсчёта. Поскольку одинакова во всех системах отсчёта, то от этих положений приходится отказаться и сформировать новые представления о П. и в. Если преобразования Галилея классич. механики основывались на допущении существования операциональных сигналов, распространяющихся с бесконечной скоростью, то в теории относительности операциональные световые сигналы обладают конечной макс. скоростью с и этому соответствует новый сложения скоростей закон, в к-ром в явной форме запечатлена специфика предельно быстрого сигнала. Соответственно сокращение длины и замедление времени носят не динамич. характер [как это представляли X. Лоренц (Н. Lorentz) и Дж. Фицджеральд (G. Fitzgerald) при объяснении отрицат. результата Майкелъсона опыта] и не являются следствием специфики субъективного наблюдения, а выступают элементами новой релятивистской концепции П. и в.

Абс. пространство, единое время для разл. систем отсчёта, абс. скорость и т. д. потерпели фиаско (даже от эфира отказались), были выдвинуты их относит. аналоги, что, собственно, и определило назв. теории Эйнштейна - "теория относительности". Но новизна пространственно-временных представлений этой теории не исчерпывалась выявлением относительности длины и временного промежутка,- не менее важным было выяснение равноправности пространства и времени (они равноправно входят в преобразования Лоренца), а в дальнейшем - и инвариантности пространственно-временного интервала. Г . Минковский (Н. Minkowski) вскрыл органич. взаимосвязь П. и в., к-рые оказались компонентами единого четырёхмерного континуума (см. Минковского пространство-время). Критерий объединения относит. свойств П. и в. в абс. четырёхмерное многообразие характеризуется инвариантностью четырёхмерного интервала (ds): ds 2 = c 2 dt 2 - dx 2 - dy 2 - dz 2 . Соответственно Минковский вновь переносит акцент с относительности на абсолютность ("постулат абс. мира"). В свете этого положения становится ясным несостоятельность часто встречающегося утверждения, что при переходе от классич. физики к частной теории относительности произошла смена субстанциальной (абсолютной) концепции П. и в. на реляционную. В действительности имел место иной процесс: на теоретич. уровне произошла смена абс. пространства и абс. времени Ньютона на столь же абсолютное четырёхмерное пространственно-временное многообразие Минковского (это субстанциальная концепция), а на эмпирич. уровне на смену относит. пространству и относит. времени механики Ньютона пришли реляционное П. и в. Эйнштейна (реляционная модификация атрибутивной концепции), основанные на совершенно иной эл.-магн. операциональности.

Частная теория относительности была лишь первым шагом, ибо новый принцип относительности был приложим лишь к инерциальным системам отсчёта. След. шагом была попытка Эйнштейна распространить этот принцип на системы равноускоренные и вообще на весь круг неинерциальных систем отсчёта - так родилась . По Ньютону, неинерци-альные системы отсчёта движутся ускоренно относительно абс. пространства. Ряд критиков концепции абс. пространства [напр., Э. Max (E. Mach)] предложили рассматривать такое ускоренное по отношению к горизонту удалённых звёзд. Тем самым наблюдаемые массы звёзд становились источником инерции. Эйнштейн дал иное толкование этому представлению, исходя из принципа эквивалентности, согласно к-рому неинерциальные системы локально неотличимы от поля тяготения. Тогда если обусловлена массами Вселенной, а поле сил инерции эквивалентно гравитац. полю, проявляющемуся в геометрии пространства-времени, то, следовательно, массы определяют и саму геометрию. В этом положении чётко обозначился существенный в трактовке проблемы ускоренного движения: принцип Маха об относительности инерции трансформирован Эйнштейном в принцип относительности геометрии пространства-времени. Принцип эквивалентности носит локальный характер, но он помог Эйнштейну сформулировать осн. физ. принципы, на к-рых базируется новая теория: гипотезы о геометрич. природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Кроме этого, Эйнштейн выдвинул ряд матем. гипотез, без к-рых невозможно было бы вывести гравитац. ур-ния: пространство-время четырёхмерно, его структура определяется симметричным метрич. тензором, ур-ния должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат. В новой теории пространство-время Минковского обобщается в метрику искривлённого пространства-времени Римана: где - квадрат

расстояния между точками и - дифференциалы координат этих точек, а - нек-рые ф-ции координат, составляющие фундам, метрич. , и определяют геометрию пространства-времени. Принципиальная новизна подхода Эйнштейна к пространству-времени заключается в том, что ф-ции являются не только компонентами фундам. метрич. тензора, ответственного за геометрию пространства-времени, но одновременно и потенциалами гравитац. поля в осн. ур-нии общей теории относительности: = -(8pG /с 2), где - тензор кривизны, R - скалярная кривизна,- метрич. тензор, - тензор энергии-импульса, G - гравитационная постоянная. В этом ур-нии выявлена связь материи с геометрией пространства-времени.

Общая теория относительности получила блестящее эмпирич. подтверждение и послужила основой последующего развития физики и космологии на базе дальнейшего обобщения представлений о П. и в., выяснения их сложной структуры. Во-первых, сама операция геометризации тяготения породила целое направление в физике, связанное с геометризованными едиными теориями поля. Осн. идея: если искривление пространства-времени описывает гравитацию, то введение более обобщённого риманова пространства с повышенной размерностью, с кручением, с многосвязностью и т. д. даст возможность для описания иных полей (т. н. градиент-но-инвариантная теория Вейля, пятимерная Калуцы - Клейна теория и др.). В 20-30-е гг. обобщения пространства Римана затрагивали в основном метрич. свойства пространства-времени, однако в дальнейшем пошла уже о пересмотре топологии [геометродинамика Дж. Уилера (J. Wheeler)], а в 70-80-е гг. физики пришли к выводу, что калибровочные поля глубоко связаны с геометрич. концепцией связности на расслоённых пространствах (см. Расслоение) - на этом пути достигнуты впечатляющие успехи, напр. в единой теории эл.-магн. и слабого взаимодействий - теории электрослабых взаимодействий Вайнберга - Глэшоу - Салама (S. Weinberg, Sh. L.Glashaw, A. Salam), к-рая построена в русле обобщения квантовой теории поля.

Общая теория относительности является основой совр. релятивистской космологии. Непосредственное применение общей теории относительности ко Вселенной даёт неимоверно сложную картину космич. пространства-времени: материя во Вселенной сосредоточена в основном в звёздах и их скоплениях, к-рые распределены неравномерно и соответствующим образом искривляют пространство-время, оказывающееся неоднородным и неизотропным. Это исключает возможность практич. и матем. рассмотрения Вселенной как целого. Однако ситуация меняется по мере продвижения к крупномасштабной структуре пространства-времени Вселенной: скоплений галактик оказывается в среднем изотропным, характеризуется однородностью и т. д. Всё это оправдывает введение космологич. постулата об однородности и изотропности Вселенной и, следовательно, понятия мирового П. и в. Но это не абс. П. и в. Ньютона, к-рые, хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидова характера имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицат. и положит. кривизной. Соответственно в космологии был поставлен очень важный вопрос: конечна или бесконечна Вселенная?

Эйнштейн столкнулся с этой проблемой при попытке построить первую космологич. модель и пришёл к выводу, что общая теория относительности несовместима с допущением бесконечности Вселенной. Он разработал конечную и статичную модель Вселенной - сферич. Вселенная Эйнштейна. Речь идёт не о привычной и наглядной сфере, к-рую можно часто наблюдать в обыденной жизни. Напр., мыльные пузыри или мячи сферичны, но они являются образами двумерных сфер в трёхмерном пространстве. А Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Такая модель существенно обогащает наши представления о пространстве. В евклидовом пространстве бесконечность и неограниченность были единым нерасчленённым понятием. На самом деле это разные вещи: бесконечность является метрич. свойством, а неограниченность - топологическим. У Вселенной Эйнштейна нет границ, и она является всеобъемлющей. Более того, сферич. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Но, как выяснилось, стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности. Стационарность пытались спасти разл. методами, что повлекло развитие ряда оригинальных моделей Вселенной, однако решение было найдено на пути перехода к нестационарным моделям, к-рые впервые были развиты А. А. Фридманом. Метрич. свойства пространства оказались изменяющимися во времени. В космологию вошла диалектич. идея развития. Выяснилось, что Вселенная расширяется [Э. Хаббл (Е. Hubble)]. Это вскрыло совершенно новые и необычные свойства мирового пространства. Если в классич. пространственно-временных представлениях разбегание галактик интерпретируется как их движение в абс. ньютоновом пространстве, то в релятивистской космологии это явление оказывается результатом нестационарности метрики пространства: не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Если экстраполировать это расширение "вспять" во времени, то получается, что наша Вселенная была "стянута в точку" прибл. 15 млрд. лет назад. Совр. наука не знает, что происходило в этой нулевой точке t = О, когда материя была спрессована в критич. состояние с бесконечной плотностью и бесконечной была кривизна пространства. Бессмысленно задавать вопрос, что было до этой нулевой точки. Такой вопрос осмыслен D применении к ньютонову абс. времени, а в релятивистской космологии работает иная модель времени, в к-рой в момент t =0 возникает не только стремительно расширяющаяся (или раздувающаяся) Вселенная (Большой ), но и само время. Совр. всё ближе подходит в своём анализе к "нулевому моменту", реконструируются реалии, имевшие место через секунду и даже доли секунды после Большого взрыва. Но это уже область глубокого микромира, где не работает классич. (неквантовая) релятивистская космология, где вступают в силу квантовые явления, с к-рыми связан другой путь развития фундам. физики 20 в. со своими специфич. представлениями о П. и в.

В основе этого пути развития физики лежало открытие М. Планком (М. Planck) дискретности процесса испускания света: в физике появился новый " " - атом действия, или , эрг·с, к-рый стал новой мировой константой. Мн. физики [напр., А. Эддингтон (A. Eddington)] с момента появления кванта подчёркивали загадочность его природы: он неделим, но не имеет границ в пространстве, он как бы заполняет собой всё пространство, и не ясно, какое место следует отнести ему в пространственно-временной схеме мироздания. Место кванта было чётко выяснено в квантовой механике, вскрывшей закономерности атомного мира. В микромире становится бессодержательным понятие пространственно-временной траектории частицы (обладающей как корпускулярными, так и волновыми свойствами), если под траекторией понимается классич. образ линейного континуума (см. Причинность). Поэтому в первые годы развития квантовой механики её создатели делали осн. упор на вскрытие того факта, что она не даёт описания движения атомных частиц в пространстве и времени и ведёт к полному отказу от привычного пространственно-временного описания. Выявилась необходимость пересмотра пространственно-временных представлений и лапласов-ского детерминизма классич. физики, ибо квантовая механика является принципиально статистич. теорией и ур-ние Шрёдингера описывает амплитуду нахождения частицы в данной пространственной области (расширяется и само понятие пространственных координат в квантовой механике, где они изображаются операторами). В квантовой механике было вскрыто наличие принципиального ограничения точности при измерениях на малых расстояниях параметров микрообъектов, обладающих энергией порядка той, к-рая вносится в процессе измерения. Это обусловливает необходимость наличия двух дополняющих друг друга эксперим. установок, к-рые в рамках теории формируют два дополнительных описания поведения микрообъектов: пространственно-временное и импульс-но-энергетическое. Любое повышение точности определения пространственно-временной локализации квантового объекта сопряжено с повышением неточности в определении его импульсно-энергетич. характеристик. Неточности измеряемых физ. параметров образуют неопределённостей соотношения: . Важно, что указанная дополнительность содержится и в самом матем. формализме квантовой механики, определяя дискретность фазового пространства.

Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, в к-рой представления о П. и в. столкнулись с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является сложной многоуровневой системой, на каждом уровне к-рой господствуют специфич. виды взаимодействий и характерные специфич. свойства пространственно-временных отношений. Область доступных в эксперименте микроскопич. интервалов условно можно поделить на четыре уровня: уровень молекулярно-атомных явлений (10 -6 см < Dx < 10 -11 см); уровень релятивистских квантовоэлектродинамич. процессов; уровень элементарных частиц; уровень ультрамалых масштабов (Dx 8 10 -16 см и Dt 8 10 -26 с - эти масштабы доступны в опытах с космич. лучами). Теоретически можно ввести и значительно более глубокие уровни (лежащие далеко за пределами возможностей не только сегодняшних, но и завтрашних экспериментов), с к-рыми связаны такие концептуальные новации, как флуктуация метрики, изменения топологии, "пенообразная структура" пространства-времени на расстояниях порядка планковской длины (Dx 10 -33 см). Однако достаточно решительный пересмотр представлений о П. и в. потребовался на уровнях, вполне доступных совр. эксперименту при развитии физики элементарных частиц. Уже столкнулась со многими трудностями именно потому, что была связана с заимствованными из классич. физики понятиями, основанными на концепции пространственно-временной непрерывности: точечность заряда, локальность поля и т. д. Это повлекло за собой существенные осложнения, связанные е бесконечными значениями таких важных величин, как , собств. энергия электрона и т. д. (ультрафиолетовые расходимости). Эти трудности пытались преодолеть введением в теорию представления о дискретном, квантованном пространстве-времени. Первые разработки 30-х гг. (В. А. Ам-барцумян, Д. Д. Иваненко) оказались неконструктивными, ибо не удовлетворяли требованию релятивистской инвариантности, а трудности квантовой электродинамики были решены с помощью процедуры перенормировки: малость константы эл.-магн. взаимодействий (а = 1/137) позволила использовать ранее разработанную теорию возмущений. Но в построении квантовой теории др. полей (слабого и сильного взаимодействий) эта процедура оказалась не работающей, и выход стали искать на пути ревизии концепции локальности поля, его линейности и т. д., что опять наметило возврат к идее существования "атома" пространства-времени. Это направление получило новый импульс в 1947, когда X. Снайдер (Н. Snyder) показал возможность существования релятивистски инвариантного пространства-времени, в к-ром содержится естеств. единица длины l 0 . Теория квантованного П. и в. получила развитие в работах В. Л. Авербаха, Б. В. Медведева, Ю. А. Гольфанда, В. Г. Кадышевского, Р. М. Мир-Касимова и др., к-рые стали приходить к выводу, что в природе существует фундаментальная длина l 0 ~ 10 -17 см. Дж. Чу (G. Chew), Э. Циммерман (Е. Zim-mermann) и др. экстраполировали представление о дискретности пространства-времени в гипотезу о макро-сконич. природе П. и в. Речь стала идти не о специфике дискретной структуры П. и в. в физике элементарных частиц, а о наличии некой границы в микромире, за к-рой вообще нет ни пространства, ни времени. Весь этот комплекс идей продолжает привлекать внимание исследователей, но существенный прогресс был достигнут Ч. Янгом (Ch. Yang) и Р. Миллсом (R. Mills) путём неабелева обобщения квантовой теории поля ( Янга - Миллса поля), в рамках к-рого удалось не только реализовать процедуру , но и приступить к реализации программы Эйнштейна - к построению единой теории поля. Создана единая теория электрослабых взаимодействий, к-рая в пределах расширенной симметрии U (1) x SU (2) x SU (3) c объединяется с квантовой хромодинамикой (теорией сильных взаимодействий). В этом подходе произошёл синтез ряда оригинальных идей и представлений, напр. гипотезы кварков, цветовой симметрии кварков SU(3) c , симметрии слабых и эл.-магн. взаимодействий SU (2) x U (1), локально калибровочного и неабелевого характера этих симметрии, существования спонтанно нарушенной симметрии и перенормируемости. Причём требование локальности калибровочных преобразований устанавливает ранее отсутствующую связь между динамич. сим-метриями и пространством-временем. В настоящее время разрабатывается теория, объединяющая все фундам. физ. взаимодействия, включая гравитационные. Однако выяснилось, что в этом случае речь идёт о пространствах 10, 26 и даже 605 размерностей. Исследователи надеются, что чрезмерный избыток размерностей в процессе компактификации удастся "замкнуть" в области планковских масштабов и в теорию макромира войдёт

лишь привычное четырёхмерное пространство-время. Что же касается вопросов о структуре пространства-времени глубокого микромира или о первых мгновениях Большого взрыва, то ответы на них будут найдены лишь в физике 3-го тысячелетия.

Лит.: Фок В. А., Теория пространства, времени и тяготения, 2 изд., М., 1961; Пространство и время в современной физике, К., 1968; Грюнбауи А., Философские проблемы пространства и времени, пер. с англ., М., 1969; Чуди-нов Э. М., Пространство и время в современной физике, М., 1969; Блохинцев Д. И., Пространство и время в микромире, 2 изд., М., 1982; Мостепаненко А. М., Пространство-время и физическое познание, М., 1975; Хокинг С., Эллис Д ж.. Крупномасштабная структура пространства-времени, пер. с англ., М., 1977; Девис П., Пространство и время в современной картине Вселенной, пер. с англ., М., 1979; Барашенков B.C., Проблемы субатомного пространства и времени, М., 1979; Ахундов М. Д., Пространство и время в физическом познании, М., 1982; Владимиров Ю. С., Мицкевич Н. В., Xорски А., Пространство, время, - всеобщие формы бытия материи, её важнейшие атрибуты. В мире нет материи, не обладающей пространственно временными свойствами, как не существует П. и в. самих по себе, вне материи или независимо от неё. Пространство есть форма бытия… … Философская энциклопедия

Понятия пространства и времени, выработанные в классической физике, являются результатом теоретического анализа механического движения.

В главной работе И.Ньютона «Математические начала натуральной философии», изданной в 1687 г., были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства и времени.

Понятия «пространство» и «время» были определены И. Ньютоном в строгом соответствии с той методологической установкой, которая была принята формирующейся опытной наукой Нового Времени, а именно, познание сущности (законов природы) через явления. Он писал: «Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятия обыкновенно относят к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведённые понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные».

Ньютон чётко различал два типа времени и пространства – абсолютное и относительное, и дал им следующие определения:

«Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

«Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.

«Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

«Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное».

Чем вызвано это различение?

Прежде всего, оно связано с особенностями теоретического и эмпирического уровней познания пространства и времени.

На теоретическом уровне пространство и время представляют собой идеализированные объекты, у которых выделяется только одна характеристика: для времени – быть «чистой длительностью», а для пространства быть «чистой протяженностью».

На эмпирическом уровне пространство и время предстают как относительные, то есть, связанные с конкретными физическими процессами и их восприятием на уровне чувств.

Таким образом, и для времени, и для пространства термин «относительный» использовался в смысле «измеряемая величина» (постигаемая нашими чувствами), а «абсолютный» - в смысле «математическая модель».

Почему Ньютон ввел разграничение теоретического и эмпирического смысла этих понятий?

Соотношение между понятиями абсолютного и относительного времени и необходимость в них ясно видна из следующего пояснения.

Время, как известно, можно измерить при помощи равномерного периодического процесса. Однако, мы знаем, что процессы равномерны? Очевидны логические трудности в определении подобных первичных понятий.

Другая трудность связана с тем, что два одинаково равномерных на данном уровне точности процесса могут оказаться относительно неравномерными при более точном измерении. И мы постоянно оказываемся перед необходимостью выбора все более надежного эталона равномерности хода времени.

Абсолютное время различается в астрономии от обыденного солнечного времени уравнением времени. Ибо естественные солнечные сутки, принимаемые при обыденном измерении времени как равные, на самом деле между собою неравны. Это неравенство и исправляется астрономами, чтобы при измерениях движений небесных светил применять более правильное время. Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенною точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может.

Таким образом, относительное время Ньютона есть время измеряемое, тогда как время абсолютное есть его математическая модель со свойствами, выводимыми из относительного времени при помощи абстрагирования.

Перейдём к понятию абсолютного пространства.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г.Галилеем и окончательно сформулированный в механике Ньютоном.

Отцом принципа относительности считается Галилео Галилей, который обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. Во времена Галилея люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом: для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует, и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона, который дал научную формулировку принципа относительности: относительные движения тел друг по отношению к другу, заключенные в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.

Другими словами, согласно принципу относительности Галилея, законы механики инвариантны, то есть остаются неизменными при тех или иных преобразованиях относительно инерциальных систем отсчёта. Переход от одной инерциальной системы отсчёта к другой осуществляется на основе так называемых преобразований Галилея, где х, у и z означают координаты тела, v – скорость, а t – время:

Смысл принципа относительности заключается в том, что во всех инерциальных системах отсчёта законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.

В период создания механики перед Ньютоном неизбежно вставал вопрос: а существуют ли вообще инерциальные системы? Если существует хотя бы одна такая система, то может существовать бесчисленное их множество, ибо любая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно данной, тоже будет инерциальной. Совершенно очевидно, что в природе инерциальных систем отсчёта нет. На Земле с достаточной степенью точности соблюдается принцип инерции, и тем не менее Земля - система неинерциальная: она вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Не может быть инерциальной и система, связанная с Солнцем, ибо Солнце вращается вокруг центра Галактики. Но если, ни одна реальная система отсчета не является строго инерциальной, то не оказываются ли фикцией основные законы механики?

Поиски ответа на этот вопрос привели к понятию абсолютного пространства. Оно представлялось совершенно неподвижным, а связанная с ним система отсчета - инерциальной. Предполагалось, что по отношению к абсолютному пространству законы механики выполняются строгим образом.

В преобразованиях Галилея отражены основные свойства пространства и времени, как они понимались в классической механике.

Каковы же эти свойства?

1. Пространство и время существуют как самостоятельные сущности, не связанные друг с другом.

Пространственные и временные координаты входят в уравнения неравноправным образом. Пространственная координата в движущейся системе зависит и от пространственной и от временной координаты в неподвижной системе (х"= х – vt). Временная же координата в движущейся системе зависит только от временной координаты в неподвижной и никак не связана с пространственными координатами (t" = t).

Таким образом, время мыслится как нечто совершенно самостоятельное по отношению к пространству.

2. Абсолютность пространства и времени, то есть абсолютный характер длины и временных интервалов, а также абсолютный характер одновременности событий.

Основными метрическими характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и расстояние между двумя событиями во времени (промежуток). В преобразованиях Галилея зафиксирован абсолютный характер длины и промежутка. В отношении временного промежутка это непосредственно видно из уравнения t" = t. Время не зависит от системы отсчета, оно одно и то же во всех системах, везде и всюду течет совершенно равномерно и одинаково.

Таким образом, во всех инерциальных системах отсчёта равномерно течёт единое непрерывное абсолютное время и осуществляется абсолютный синхронизм (т. е. одновременность событий не зависит от системы отсчёта, она абсолютна), основой которого могли выступать лишь дальнодействующие мгновенные силы - эта роль в системе Ньютона отводилась тяготению (закон всемирного тяготения). Однако статус дальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субстанциальной природой пространства и времени в рамках механистической картины мира.

В классической механике Ньютона пространство вводится посредством евклидовой трехмерной геометрии. В силу этого оно непрерывно, упорядочено, трехмерно, бесконечно, безгранично - это трехмерный континуум точек.

Ньютоновская концепция пространства и времени и принцип относительности Галилея, на основе которых строилась физическая картина мира, господствовали вплоть до конца XIX в.

Особенностью физики является то, что она оперирует поня-тиями, которым соответствуют измеримые, характеризуе-мые числом величины. Многие важные понятия обыденного языка (например, ум, справедливость), а также и белее утон-ченные философские категории не таковы. Это существен-ное самоограничение, но благодаря ему физические выска-зывания приобретают четкий и однозначный смысл и, что не менее важно, могут быть подвергнуты экспериментальной проверке.

Измеримые величины называются наблюдаемыми, и утверждения относительно наблюдаемых величин проверяе-мы. Физика старается избегать высказываний, которые са-ми либо выводимые из них следствия не могут быть в принципе проверены и либо подтверждены, либо опро-вергнуты (важна именно принципиальная возможность проверки, независимо от того, осуществима ли она имею-щимися в данный момент средствами).

Понятия «пространство » и «время » — это одновременно и понятия обыденного язык а, и важные философские катего-рии, но также и исходные фундаментальные понятия физи-ки . Окружающий нас мир — это множество событий, происходящих в пространстве и времени.

Понятие «пространство » связано с протяженными телами. Тела находятся в пространстве. И это понятие наглядней и кажется более простым, чем «время», но и здесь есть свои трудности.

Простейшее изменение, происходящее в окружающем ми-ре, — это движение, когда объект, оставаясь тождествен-ным самому себе, перемещается из одного места в другое, и не случайно математическое описание реальности начина-лось именно с описания движения. Когда мы говорим о дви-жении, то подразумеваем движение в пространстве. Поня-тие «движение» соединяет между собой понятия «пространство » и «время », и часто они и связанные с ними проблемы рассматривались вместе. В физике эти два поня-тия слились в одно — «пространство-время».

Мысленно легко абстрагироваться от предметов, заполня-ющих пространство, и представить себе «чистое» (абсолютное — по терминологии Ньютона) пространство, в ко-тором нет ничего. Точно так же можно абстрагироваться от конкретных процессов, протекающих во времени, и сфор-мировать представление о «чистом» времени, о времени «самом по себе». «Абсолютное, истинное, математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всяко-го отношения к чему-либо внешнему протекает равномер-но и иначе называется длительностью» — определение, данное Ньютоном в его знаменитом труде «Математиче-ские начала натуральной философии». Пространство — это та арена, на которой происходят все явления окружаю-щего нас мира, и они протекают во времени. Именно эти представления лежали в основе ньютоновской механики . Но постепенно стало ясно, что такие абстракции, как «чис-тое пространство» и «чистое время», не могут быть предме-том научного объяснения. Точки «чистого пространства» не наблюдаемы. Они неотличимы одна от другой. Невоз-можно говорить о движении относительно абсолютного пространства, потому что утверждения о движении или покое непроверяемы. Материал с сайта

С античных времен, однако, считали, что свойства «чистого» пространства правильно списываются специальной матема-тической дисциплиной — евклидовой геометрией , которую до сих пор изучают в школе. Утверждения геометрии (теоре-мы) можно было непосредственно проверить. Например, рассматривая конкретные прямоугольные треугольники и измеряя их стороны линейкой, можно убедиться в правиль-ности теоремы Пифагора. Но главным достоинством теорем считали то, что они не нуждаются в экспериментальной про-верке, потому что они «доказываются». Геометрия создавала и поддерживала иллюзию того, «то могут быть осмысленные, содержательные и «правильные» (проверяемые) высказыва-ния о некоторых свойствам реального мира, полученные чис-то умозрительно, иллюзию, которая веками укрепляла фило-софию и метафизику в их поисках умопостигаемых истин. Уверенность в том, что утверждения геометрии относятся к реальному пространству, была поколеблена лишь в середине XIX в., после создание неевклидовых геометрий (Лобачевский, Больяи и Гаусс). И нелегко и не сразу пришло осознание того, что теоремы геометрии как математической дисципли-ны не есть утверждения о свойствах реального физического пространства, в котором мы живем. Его свойства — предмет изучения физики , а не математики. Математик может работать с абстрактным пространством, потому что он сам наделя-ет его определенными свойствами. Физик имеет дело с ми-ром, который существует сам по себе, и его свойства не могут быть установлены умозрительно.

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ в физике определяются в общем виде как фундам. структуры координации материальных объектов и их состояний: система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния, ориентацию и т. д.), образует пространство, а система отношений, отображающая координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность, длительность и т. д.), образует время. П. и в. являются организующими структурами разл. уровней физ. познания и играют важную роль в межуровневых взаимоотношениях. Они (или сопряжённые с ними конструкции) во многом определяют структуру (метрическую, топологическую и т. д.) фундам. физ. теорий, задают структуру эмпирич. интерпретации и верификации физ. теорий, структуру операциональных процедур (в основе к-рых лежат фиксации пространственно-временных совпадений в измерит. актах, с учётом специфики используемых физ. взаимодействий), а также организуют физ. картины мира. К такому представлению вёл весь историч. путь концептуального развития.

В наиб. архаичных представлениях П. и в. вообще не вычленялись из материальных объектов и процессов природы (в к-рой достаточно мирно уживались как естественные, так и сверхъестественные персонажи): разл. участки территории обитания наделялись разл. положит. и отрицат. качествами и силами в зависимости от присутствия на них разл. сакральных объектов (захоронения предков, тотемы, храмы и т. д.), а каждому движению было сопричастно своё время. Время также членилось на качественно разл. периоды, благоприятные или зловредные по отношению к жизнедеятельности древних социумов. Ландшафт и календарные циклы выступали запёчатлённым мифом. В дальнейшем развитии мифологич. картина мира стала функционировать в рамках циклич. времени; будущее всегда оказывалось возрождением сакрального прошлого. На страже этого процесса стояла жёсткая идеология (обряды, запреты, табу и т. д.), принципами к-рой нельзя было поступиться, ибо они были призваны не допускать никаких новаций в этот мир вечных повторений, а также отрицали историю и историч. время (т. е. линейное время). Такие представления можно рассматривать как архаичный прообраз модели неоднородного и неизотропного П. и в. Учитывая, что развитая мифология пришла к представлению о членении мира на уровни (первоначально на Небо, Землю и Подземный мир, с последующим выяснением "тонкой структуры" двух крайних уровней, напр. седьмое небо, круги ада), можно дать более ёмкое определение П. и в. мифологич. картины мира: циклич. структура времени и многослойный изоморфизм пространства (Ю. М. Лотман). Естественно, это всего лишь совр. реконструкция, в к-рой П. и в. уже абстрагированы от материальных объектов и процессов; что же касается человеческого познания, то оно к подобному абстрагированию пришло не в архаичной мифологии, а в рамках последующих форм обществ. сознания (монотеистич. религия, натурфилософия и т. д.).

Начиная с этого момента, П. и в. получают самостоят. статус в качестве фундам. фона, на к-ром разворачивается динамика природных объектов. Такие идеализированные П. и в. часто даже подвергались обожествлению. В античной натурфилософии происходит рационализация мифо-религиозных представлений: П. и в. трансформируются в фундам. субстанции, в первооснову мира. С этим подходом связана субстанциальная концепция П. и в. Таковы, напр., пустота Демокрита или топос (место) Аристотеля - это разл. модификации концепции пространства как вместилища ("ящик без стенок" и т. д.). Пустота у Демокрита заполнена ато-мистич. материей, а у Аристотеля материя континуальна и заполняет пространство без разрывов - все места заняты. Т. о., аристотелево отрицание пустоты не означает отрицания пространства как вместилища. Субстанциальная концепция времени связана с представлением о вечности, некой неметризованной абс. длительности. Частное эмпирич. время рассматривалось как движущийся образ вечности (Платон). Это время получает числовую оформленность и метризуется с помощью вращения неба (или иных, менее универсальных, периодич. природных процессов) в системе Аристотеля; здесь время выступает уже не как фундам. субстанция, а как система отношений ("раньше", "позже", "одновременно" и т. д.) и реализуется реляционная концепция. Ей соответствует реляционная концепция пространства как система отношений материальных объектов и их состояний.

Субстанциальная и реляционная концепции П. и в. функционируют соответственно на теоретич. и эмпирич. (или умозрительном и чувственнопостигаемом) уровнях натурфилософских и естественнонауч. систем. В ходе человеческого познания происходит конкуренция и смена подобных систем, что сопровождается существенным развитием и изменением представлений о П. и в. Это достаточно чётко проявилось уже в античной натурфилософии: во-первых, в отличие от бесконечной пустоты Демокрита, пространство Аристотеля конечно и ограниченно, ибо сфера неподвижных звёзд пространственно замыкает космос; во-вторых, если пустота Демокрита является началом субстанциально-пассивным, лишь необходимым условием движения атомов, то эпос является началом субстанциально-активным и любое место наделено своей специфич. силой. Последнее характеризует динамику Аристотеля, на базе к-рой была создана геоцентрич. космологич. модель. Космос Аристотеля чётко разделён на земной (подлунный) и небесный уровни. Материальные объекты подлунного мира участвуют либо в прямолинейных естеств. движениях и движутся к своим естеств. местам (напр., тяжёлые тела устремляются к центру Земли), либо в вынужденных движениях, к-рые продолжаются, пока на них действует движущая сила. Небесный мир состоит из эфирных тел, пребывающих в бесконечном совершенном круговом естеств. движении. Соответственно в системе Аристотеля была развита матем. астрономия небесного уровня и качеств. физика (механика) земного уровня мира.

Ещё одно концептуальное достижение Древней Греции, к-рое определило дальнейшее развитие представлений о пространстве (и времени),- это геометрия Евклида, чьи знаменитые "Начала" были развиты в виде аксиоматич. системы и справедливо рассматриваются как древнейшая ветвь физики (А. Эйнштейн) и даже как космологич. теория [К. Поппер (К. Popper), И. Ла-катос (I. Lakatos)]. Картина мира Евклида отлична от аристотелевой и включает в себя представление об однородном и бесконечном пространстве. Евклидова геометрия (и оптика) не только сыграла роль концептуальной основы классич. механики, определив такие фундам. идеализированные объекты, как пространство, абсолютно твёрдый (самоконгруэнтный) стержень, геометризованный световой луч и т. д., но и явилась плодотворным матем. аппаратом (языком), с помощью к-рого были разработаны основы классич. механики. Начало классич. механики и сама возможность её построения были связаны с коперниканской революцией 16 в., в ходе к-рой гелиоцентрич. космос предстал как единая конструкция, без деления на качественно отличные небесный и земной уровни.

Дж. Бруно (G. Bruno) разрушил ограничивающую небесную сферу, поместил космос в бесконечное пространство, лишил его центра, заложил основу однородного бесконечного пространства, в рамках к-рого усилиями блестящей плеяды мыслителей [И. Кеплер (I. Kepler), Р. Декарт (R. Descartes), Г. Галилей (G. Galilei), И. Ньютон (I. Newton) и др.] была развита классич. механика. Уровня систематич. разработки она достигла в знаменитых "Математических началах натуральной философии" Ньютона, к-рый разграничивал в своей системе два типа П. и в.: абсолютные и относительные.

Такие П. и в. оказались парадоксальными с точки зрения здравого смысла и конструктивными на теоретич. уровне. Напр., концепция абс. времени парадоксальна потому, что, во-первых, рассмотрение течения времени связано с представлением времени как процесса во времени, что логически неудовлетворительно; во-вторых, трудно принять утверждение о равномерном течении времени, ибо это предполагает, что существует нечто контролирующее скорость потока времени. Более того, если время рассматривается "без всякого отношения к чему-либо внешнему", то какой смысл может иметь предположение, что оно течёт неравномерно?

Если же подобное предположение бессмысленно, то какое значение имеет условие равномерности течения? Конструктивный смысл абсолютных П. и в. стал проясняться в последующих логико-матем. реконструкциях ньютоновой механики, к-рые получили своё относит. завершение в аналитич. механике Лагранжа [можно отметить также реконструкции Д-Аламбера (D"Alambert), У. Гамильтона (W. Hamilton) и др.], в к-рой был полностью элиминирован геометризм "Начал" и механика предстала как раздел анализа. В этом процессе на первый план стали выступать представления о законах сохранения, принципах симметрии, инвариантности и т. д., к-рые позволили рассмотреть классич. физику с единых концептуальных позиций. Была установлена связь осн. законов сохранения с пространственно-временной симметрией [С. Ли (S. Lie), F. Клейн (F. Klein), Э. Нётер (Е. Noether)]: сохранение таких фундам. физ. величин, как энергия, импульс и угл. момент, выступает как следствие того, что П. и в. изотропны и однородны. Абсолютность П. и в., абс. характер длины и временных интервалов, а также абс. характер одновременности событий получили чёткое выражение в Галилея принципе относительности , к-рый можно сформулировать как принцип ковариантности законов механики относительно Галилея преобразований. Т. о., во всех инерциальных системах отсчёта равномерно течёт единое непрерывное абс. время и осуществляется абс. синхронизм (т. е. одновременность событий не зависит от системы отсчёта, она абсолютна), основой к-рого могли выступать лишь дальнодействующие мгновенные силы - эта роль в ньютоновой системе отводилась тяготению (всемирного тяготения закон ).Однако статус дальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субстанциальной природой П. и в. в рамках механич. картины мира.

От абс. пространства Ньютон отличал протяжённость материальных объектов, к-рая выступает как их осн. свойство и есть пространство относительное. Последнее является мерой абс. пространства и может быть представлено как множество конкретных инерциальных систем отсчёта, находящихся в относит. движении. Соответственно и относит. время есть мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного матем. времени,- это час, день, месяц, год. Относит. П. и в. постигаемы чувствами, но они являются не перцептуальными, а именно эмпирич. структурами отношений между материальными объектами и событиями. Следует отметить, что в рамках эмпирич. фиксации были вскрыты нек-рые фундам. свойства П. и в., не отражённые на теоретич. уровне классич. механики, напр. трёхмерность пространства или необратимость времени.

Классич. механика до конца 19 в. определяла осн. направление науч. познания, к-рое отождествлялось с познанием механизма явлений, с редукцией любых явлений к механич. моделям и описаниям. Абсолютизации были подвергнуты и механич. представления о П. и в., к-рые были возведены на "Олимп априорности". В философской системе И. Канта (I. Kant) П. и в. стали рассматриваться как априорные (доопытные, врождённые) формы чувственного созерцания. Большинство философов и естествоиспытателей вплоть до 20 в. придерживались этих априористских воззрений, однако уже в 20-х гг. 19 в. были развиты разл. варианты неевклидовых геометрий [К. Гаусс (С. Gauss), H. И. Лобачевский, Я. Больяй (J. Bolyai) и др.], что связано с существенным развитием представлений о пространстве. Математиков давно интересовал вопрос о полноте аксиоматики евклидовой геометрии. В этом отношении наиб. подозрения вызывала аксиома о параллельных. Был получен поразительный результат: оказалось, что можно развить непротиворечивую систему геометрии, отказавшись от аксиомы о параллельных и допустив существование неск. прямых, параллельных данной и проходящих через одну точку. Представить себе такую картину крайне трудно, но учёные уже усвоили гносеологич. урок коперниканской революции - наглядность может быть связана с правдоподобностью, но не обязательно с истиной. Поэтому хотя Лобачевский и называл свою геометрию воображаемой, но поставил вопрос об эмпирич. определении евклидова или неевклидова характера физ. пространства. Б. Риман (В. Riemann) обобщил понятие пространства (куда как частные случаи вошли евклидово пространство и всё множество неевклидовых пространств), положив в его основу представление о метрике,- пространство есть трёхмерное многообразие, на к-ром можно аналитически задать разл. аксиоматич. системы, и геометрия пространства определяется с помощью шести компонент метрического тензора , заданных как ф-ции координат. Риман ввёл понятие кривизны пространства, к-рое может иметь положит., нулевое и отрицат. значения. В общем случае кривизна пространства не обязательно должна быть постоянной, а может меняться от точки к точке. На таком пути были обобщены не только аксиома о параллельных, но и др. аксиомы евклидовой геометрии, что привело к развитию неархимедовых, непаскалевых и др. геометрий, в к-рых пересмотру были подвергнуты многие фундам. свойства пространства, напр. его непрерывность, и т. д. Обобщению было подвергнуто также представление о размерности пространства: была развита теория N -мерных многообразий и стало возможным говорить даже о бесконечномерных пространствах.

Подобная разработка мощного матем. инструментария, существенно обогатившего представления о пространстве, сыграла важную роль в развитии физики 19 в. (многомерные фазовые пространства, экстремальные принципы и т. д.), для к-рой были характерны значит. достижения и в концептуальной сфере: в рамках термодинамики получило явное выражение [У. Томсон (W. Thomson), Р. Клаузиус (R. Clausius) и др.] представление о необратимости времени - закон возрастания энтропии (второе начало термодинамики), а с электродинамикой Фарадея - Максвелла в физику вошли представления о новой реальности - поле, о существовании привилегиров. системы отсчёта, к-рая неразрывно связана с материализов. аналогом абс. пространства Ньютона, с неподвижным эфиром и т. д. Однако неизмеримо более плодотворными оказались матем. новации 19 в. в революц. преобразованиях физики 20 в.

Революция в физике 20 в. ознаменовалась разработкой таких неклассич. теорий (и соответствующих физ. исследовательских программ), как частная (специальная) и общая теории относительности (см. Относительности теория. Тяготение), квантовая механика, квантовая теория поля , релятивистская космология и др., для к-рых характерно существенное развитие представлений о П. и в.

Теория относительности Эйнштейна была создана как электродинамика движущихся тел, в основу к-рой были положены новый принцип относительности (относительность обобщалась с механич. явлений на явления эл--магн. и оптические) и принцип постоянства и предельности скорости света с в пустоте, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Эйнштейн показал, что операциональные приёмы, с помощью к-рых устанавливается физ. содержание евклидова пространства в классич. механике, оказались неприменимыми к процессам, протекающим со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Поэтому он начал построение электродинамики движущихся тел с определения одновременности, используя световые сигналы для синхронизации часов. В теории относительности понятие одновременности лишено абс. значения и становится необходимым развить соответствующую теорию преобразования координат (х, у, z )и времени (t ) при переходе от покоящейся системы отсчёта к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой со скоростью u . В процессе развития этой теории Эйнштейн пришёл к формулировке Лоренца преобразований :

Была выяснена необоснованность двух фундам. положений о П. и в. в классич. механике: промежуток времени между двумя событиями и расстояние между двумя точками твёрдого тела не зависят от состояния движения системы отсчёта. Поскольку скорость света одинакова во всех системах отсчёта, то от этих положений приходится отказаться и сформировать новые представления о П. и в. Если преобразования Галилея классич. механики основывались на допущении существования операциональных сигналов, распространяющихся с бесконечной скоростью, то в теории относительности операциональные световые сигналы обладают конечной макс. скоростью с и этому соответствует новый сложения скоростей закон ,в к-ром в явной форме запечатлена специфика предельно быстрого сигнала. Соответственно сокращение длины и замедление времени носят не динамич. характер [как это представляли X. Лоренц (Н. Lorentz) и Дж. Фицджеральд (G. Fitzgerald) при объяснении отрицат. результата Майкелъсона опыта] и не являются следствием специфики субъективного наблюдения, а выступают элементами новой релятивистской концепции П. и в.

Абс. пространство, единое время для разл. систем отсчёта, абс. скорость и т. д. потерпели фиаско (даже от эфира отказались), были выдвинуты их относит. аналоги, что, собственно, и определило назв. теории Эйнштейна - "теория относительности". Но новизна пространственно-временных представлений этой теории не исчерпывалась выявлением относительности длины и временного промежутка,- не менее важным было выяснение равноправности пространства и времени (они равноправно входят в преобразования Лоренца), а в дальнейшем - и инвариантности пространственно-временного интервала .Г. Минковский (Н. Minkowski) вскрыл органич. взаимосвязь П. и в., к-рые оказались компонентами единого четырёхмерного континуума (см. Минковского пространство-время ).Критерий объединения относит. свойств П. и в. в абс. четырёхмерное многообразие характеризуется инвариантностью четырёхмерного интервала (ds): ds 2 = c 2 dt 2 - dx 2 - dy 2 - dz 2 . Соответственно Минковский вновь переносит акцент с относительности на абсолютность ("постулат абс. мира"). В свете этого положения становится ясным несостоятельность часто встречающегося утверждения, что при переходе от классич. физики к частной теории относительности произошла смена субстанциальной (абсолютной) концепции П. и в. на реляционную. В действительности имел место иной процесс: на теоретич. уровне произошла смена абс. пространства и абс. времени Ньютона на столь же абсолютное четырёхмерное пространственно-временное многообразие Минковского (это субстанциальная концепция), а на эмпирич. уровне на смену относит. пространству и относит. времени механики Ньютона пришли реляционное П. и в. Эйнштейна (реляционная модификация атрибутивной концепции), основанные на совершенно иной эл--магн. операциональности.

Частная теория относительности была лишь первым шагом, ибо новый принцип относительности был приложим лишь к инерциальным системам отсчёта. След. шагом была попытка Эйнштейна распространить этот принцип на системы равноускоренные и вообще на весь круг неинерциальных систем отсчёта - так родилась общая теория относительности. По Ньютону, неинерци-альные системы отсчёта движутся ускоренно относительно абс. пространства. Ряд критиков концепции абс. пространства [напр., Э. Max (E. Mach)] предложили рассматривать такое ускоренное движение по отношению к горизонту удалённых звёзд. Тем самым наблюдаемые массы звёзд становились источником инерции. Эйнштейн дал иное толкование этому представлению, исходя из принципа эквивалентности, согласно к-рому неинерциальные системы локально неотличимы от поля тяготения. Тогда если инерция обусловлена массами Вселенной, а поле сил инерции эквивалентно гравитац. полю, проявляющемуся в геометрии пространства-времени, то, следовательно, массы определяют и саму геометрию. В этом положении чётко обозначился существенный сдвиг в трактовке проблемы ускоренного движения: принцип Маха об относительности инерции трансформирован Эйнштейном в принцип относительности геометрии пространства-времени. Принцип эквивалентности носит локальный характер, но он помог Эйнштейну сформулировать осн. физ. принципы, на к-рых базируется новая теория: гипотезы о геометрич. природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Кроме этого, Эйнштейн выдвинул ряд матем. гипотез, без к-рых невозможно было бы вывести гравитац. ур-ния: пространство-время четырёхмерно, его структура определяется симметричным метрич. тензором, ур-ния должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат. В новой теории пространство-время Минковского обобщается в метрику искривлённого пространства-времени Римана: где - квадрат

расстояния между точками и- дифференциалы координат этих точек, а- нек-рые ф-ции координат, составляющие фундам, метрич. тензор, и определяют геометрию пространства-времени. Принципиальная новизна подхода Эйнштейна к пространству-времени заключается в том, что ф-ции являются не только компонентами фундам. метрич. тензора, ответственного за геометрию пространства-времени, но одновременно и потенциалами гравитац. поля в осн. ур-нии общей теории относительности: = -(8pG /с 2), где - тензор кривизны, R - скалярная кривизна,- метрич. тензор, - тензор энергии-импульса, G - гравитационная постоянная . В этом ур-нии выявлена связь материи с геометрией пространства-времени.

Общая теория относительности получила блестящее эмпирич. подтверждение и послужила основой последующего развития физики и космологии на базе дальнейшего обобщения представлений о П. и в., выяснения их сложной структуры. Во-первых, сама операция геометризации тяготения породила целое направление в физике, связанное с геометризованными едиными теориями поля. Осн. идея: если искривление пространства-времени описывает гравитацию, то введение более обобщённого риманова пространства с повышенной размерностью, с кручением, с многосвязностью и т. д. даст возможность для описания иных полей (т. н. градиент-но-инвариантная теория Вейля, пятимерная Калуцы - Клейна теория и др.). В 20-30-е гг. обобщения пространства Римана затрагивали в основном метрич. свойства пространства-времени, однако в дальнейшем речь пошла уже о пересмотре топологии [геометродинамика Дж. Уилера (J. Wheeler)], а в 70-80-е гг. физики пришли к выводу, что калибровочные поля глубоко связаны с геометрич. концепцией связности на расслоённых пространствах (см. Расслоение -)на этом пути достигнуты впечатляющие успехи, напр. в единой теории эл--магн. и слабого взаимодействий - теории электрослабых взаимодействий Вайнберга - Глэшоу - Салама (S. Weinberg, Sh. L.Glashaw, A. Salam), к-рая построена в русле обобщения квантовой теории поля.

Общая теория относительности является основой совр. релятивистской космологии. Непосредственное применение общей теории относительности ко Вселенной даёт неимоверно сложную картину космич. пространства-времени: материя во Вселенной сосредоточена в основном в звёздах и их скоплениях, к-рые распределены неравномерно и соответствующим образом искривляют пространство-время, оказывающееся неоднородным и неизотропным. Это исключает возможность практич. и матем. рассмотрения Вселенной как целого. Однако ситуация меняется по мере продвижения к крупномасштабной структуре пространства-времени Вселенной: распределение скоплений галактик оказывается в среднем изотропным, реликтовое излучение характеризуется однородностью и т. д. Всё это оправдывает введение космологич. постулата об однородности и изотропности Вселенной и, следовательно, понятия мирового П. и в. Но это не абс. П. и в. Ньютона, к-рые, хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидова характера имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицат. и положит. кривизной. Соответственно в космологии был поставлен очень важный вопрос: конечна или бесконечна Вселенная?

Эйнштейн столкнулся с этой проблемой при попытке построить первую космологич. модель и пришёл к выводу, что общая теория относительности несовместима с допущением бесконечности Вселенной. Он разработал конечную и статичную модель Вселенной - сферич. Вселенная Эйнштейна. Речь идёт не о привычной и наглядной сфере, к-рую можно часто наблюдать в обыденной жизни. Напр., мыльные пузыри или мячи сферичны, но они являются образами двумерных сфер в трёхмерном пространстве. А Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Такая модель существенно обогащает наши представления о пространстве. В евклидовом пространстве бесконечность и неограниченность были единым нерасчленённым понятием. На самом деле это разные вещи: бесконечность является метрич. свойством, а неограниченность - топологическим. У Вселенной Эйнштейна нет границ, и она является всеобъемлющей. Более того, сферич. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Но, как выяснилось, стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности. Стационарность пытались спасти разл. методами, что повлекло развитие ряда оригинальных моделей Вселенной, однако решение было найдено на пути перехода к нестационарным моделям, к-рые впервые были развиты А. А. Фридманом. Метрич. свойства пространства оказались изменяющимися во времени. В космологию вошла диалектич. идея развития. Выяснилось, что Вселенная расширяется [Э. Хаббл (Е. Hubble)]. Это вскрыло совершенно новые и необычные свойства мирового пространства. Если в классич. пространственно-временных представлениях разбегание галактик интерпретируется как их движение в абс. ньютоновом пространстве, то в релятивистской космологии это явление оказывается результатом нестационарности метрики пространства: не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Если экстраполировать это расширение "вспять" во времени, то получается, что наша Вселенная была "стянута в точку" прибл. 15 млрд. лет назад. Совр. наука не знает, что происходило в этой нулевой точке t = О, когда материя была спрессована в критич. состояние с бесконечной плотностью и бесконечной была кривизна пространства. Бессмысленно задавать вопрос, что было до этой нулевой точки. Такой вопрос осмыслен D применении к ньютонову абс. времени, а в релятивистской космологии работает иная модель времени, в к-рой в момент t =0 возникает не только стремительно расширяющаяся (или раздувающаяся) Вселенная (Большой взрыв), но и само время. Совр. физика всё ближе подходит в своём анализе к "нулевому моменту", реконструируются реалии, имевшие место через секунду и даже доли секунды после Большого взрыва. Но это уже область глубокого микромира, где не работает классич. (неквантовая) релятивистская космология, где вступают в силу квантовые явления, с к-рыми связан другой путь развития фундам. физики 20 в. со своими специфич. представлениями о П. и в.

В основе этого пути развития физики лежало открытие М. Планком (М. Planck) дискретности процесса испускания света: в физике появился новый "атом" - атом действия, или квант действия, эрг·с, к-рый стал новой мировой константой. Мн. физики [напр., А. Эддингтон (A. Eddington)] с момента появления кванта подчёркивали загадочность его природы: он неделим, но не имеет границ в пространстве, он как бы заполняет собой всё пространство, и не ясно, какое место следует отнести ему в пространственно-временной схеме мироздания. Место кванта было чётко выяснено в квантовой механике, вскрывшей закономерности атомного мира. В микромире становится бессодержательным понятие пространственно-временной траектории частицы (обладающей как корпускулярными, так и волновыми свойствами), если под траекторией понимается классич. образ линейного континуума (см. Причинность ).Поэтому в первые годы развития квантовой механики её создатели делали осн. упор на вскрытие того факта, что она не даёт описания движения атомных частиц в пространстве и времени и ведёт к полному отказу от привычного пространственно-временного описания. Выявилась необходимость пересмотра пространственно-временных представлений и лапласов-ского детерминизма классич. физики, ибо квантовая механика является принципиально статистич. теорией и ур-ние Шрёдингера описывает амплитуду вероятности нахождения частицы в данной пространственной области (расширяется и само понятие пространственных координат в квантовой механике, где они изображаются операторами) . В квантовой механике было вскрыто наличие принципиального ограничения точности при измерениях на малых расстояниях параметров микрообъектов, обладающих энергией порядка той, к-рая вносится в процессе измерения. Это обусловливает необходимость наличия двух дополняющих друг друга эксперим. установок, к-рые в рамках теории формируют два дополнительных описания поведения микрообъектов: пространственно-временное и импульс-но-энергетическое. Любое повышение точности определения пространственно-временной локализации квантового объекта сопряжено с повышением неточности в определении его импульсно-энергетич. характеристик. Неточности измеряемых физ. параметров образуют неопределённостей соотношения : . Важно, что указанная дополнительность содержится и в самом матем. формализме квантовой механики, определяя дискретность фазового пространства.

Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, в к-рой представления о П. и в. столкнулись с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является сложной многоуровневой системой, на каждом уровне к-рой господствуют специфич. виды взаимодействий и характерные специфич. свойства пространственно-временных отношений. Область доступных в эксперименте микроскопич. интервалов условно можно поделить на четыре уровня: уровень молекулярно-атомных явлений (10 -6 см < Dx < 10 -11 см); уровень релятивистских квантовоэлектродинамич. процессов; уровень элементарных частиц; уровень ультрамалых масштабов ( Dx 8 10 -16 см и Dt 8 10 -26 с - эти масштабы доступны в опытах с космич. лучами). Теоретически можно ввести и значительно более глубокие уровни (лежащие далеко за пределами возможностей не только сегодняшних, но и завтрашних экспериментов), с к-рыми связаны такие концептуальные новации, как флуктуация метрики, изменения топологии, "пенообразная структура" пространства-времени на расстояниях порядка планковской длины (Dx 10 -33 см). Однако достаточно решительный пересмотр представлений о П. и в. потребовался на уровнях, вполне доступных совр. эксперименту при развитии физики элементарных частиц. Уже квантовая электродинамика столкнулась со многими трудностями именно потому, что была связана с заимствованными из классич. физики понятиями, основанными на концепции пространственно-временной непрерывности: точечность заряда, локальность поля и т. д. Это повлекло за собой существенные осложнения, связанные е бесконечными значениями таких важных величин, как масса, собств. энергия электрона и т. д. (ультрафиолетовые расходимости ).Эти трудности пытались преодолеть введением в теорию представления о дискретном, квантованном пространстве-времени. Первые разработки 30-х гг. (В. А. Ам-барцумян, Д. Д. Иваненко) оказались неконструктивными, ибо не удовлетворяли требованию релятивистской инвариантности, а трудности квантовой электродинамики были решены с помощью процедуры перенормировки : малость константы эл--магн. взаимодействий (а = 1/137) позволила использовать ранее разработанную теорию возмущений. Но в построении квантовой теории др. полей (слабого и сильного взаимодействий) эта процедура оказалась не работающей, и выход стали искать на пути ревизии концепции локальности поля, его линейности и т. д., что опять наметило возврат к идее существования "атома" пространства-времени. Это направление получило новый импульс в 1947, когда X. Снайдер (Н. Snyder) показал возможность существования релятивистски инвариантного пространства-времени, в к-ром содержится естеств. единица длины l 0 . Теория квантованного П. и в. получила развитие в работах В. Л. Авербаха, Б. В. Медведева, Ю. А. Гольфанда, В. Г. Кадышевского, Р. М. Мир-Касимова и др., к-рые стали приходить к выводу, что в природе существует фундаментальная длина l 0 ~ 10 -17 см. Дж. Чу (G. Chew), Э. Циммерман (Е. Zim-mermann) и др. экстраполировали представление о дискретности пространства-времени в гипотезу о макро-сконич. природе П. и в. Речь стала идти не о специфике дискретной структуры П. и в. в физике элементарных частиц, а о наличии некой границы в микромире, за к-рой вообще нет ни пространства, ни времени. Весь этот комплекс идей продолжает привлекать внимание исследователей, но существенный прогресс был достигнут Ч. Янгом (Ch. Yang) и Р. Миллсом (R. Mills) путём неабелева обобщения квантовой теории поля (Янга - Миллса поля) , в рамках к-рого удалось не только реализовать процедуру перенормировки, но и приступить к реализации программы Эйнштейна - к построению единой теории поля. Создана единая теория электрослабых взаимодействий, к-рая в пределах расширенной симметрии U (1) x SU (2) x SU (3) c объединяется с квантовой хромодинамикой (теорией сильных взаимодействий). В этом подходе произошёл синтез ряда оригинальных идей и представлений, напр. гипотезы кварков , цветовой симметрии кварков SU(3) c , симметрии слабых и эл--магн. взаимодействий SU (2) x U (1), локально калибровочного и неабелевого характера этих симметрии, существования спонтанно нарушенной симметрии и перенормируемости. Причём требование локальности калибровочных преобразований устанавливает ранее отсутствующую связь между динамич. сим-метриями и пространством-временем. В настоящее время разрабатывается теория, объединяющая все фундам. физ. взаимодействия, включая гравитационные. Однако выяснилось, что в этом случае речь идёт о пространствах 10, 26 и даже 605 размерностей. Исследователи надеются, что чрезмерный избыток размерностей в процессе компактификации удастся "замкнуть" в области планковских масштабов и в теорию макромира войдёт

Лит.: Фок В. А., Теория пространства, времени и тяготения, 2 изд., М., 1961; Пространство и время в современной физике, К., 1968; Грюнбауи А., Философские проблемы пространства и времени, пер. с англ., М., 1969; Чуди-нов Э. М., Пространство и время в современной физике, М., 1969; Блохинцев Д. И., Пространство и время в микромире, 2 изд., М., 1982; Мостепаненко А. М., Пространство-время и физическое познание, М., 1975; Хокинг С., Эллис Д ж.. Крупномасштабная структура пространства-времени, пер. с англ., М., 1977; Девис П., Пространство и время в современной картине Вселенной, пер. с англ., М., 1979; Барашенков B.C., Проблемы субатомного пространства и времени, М., 1979; Ахундов М. Д., Пространство и время в физическом познании, М., 1982; Владимиров Ю. С., Мицкевич Н. В., Xорски А., Пространство, время, гравитация, М., 1984; Рейхенбах Г., Философия пространства и времени, пер. с англ., М., 1985; Владимиров Ю. С., Пространство-время: явные и скрытые размерности, М., 1989.

М. Д. Ахундов .

В 1921 году в статье “Геометрия и опыт” А. Эйнштейн писал:

“Гравитационное поле обладает такими свойствами, как если бы кроме весомых масс оно создавалось равномерно распределенной в пространстве плотностью массы, имеющей отрицательный знак. Так как эта фиктивная масса очень мала, то ее можно заметить только в случае очень больших гравирующих систем”.

Причем, наиболее естественным количественным соотношением между компонентами с противоположными свойствами является равенство абсолютных значений плотностей. Тогда средняя плотность Вселенной будет равна нулю и не возникает проблемы о происхождении и количестве материи. В современной физике проблема обоснования существования материи в частности, и Вселенной в целом, вообще не рассматривается. Во-вторых - если распространение света связать с распространением возмущений в фиктивной массе, то, очевидно, что ограниченность скорости света является не свойством геометрии пространства, а характеристикой фиктивной массы. А так как в любой физической среде распространение возмущений, которое описывается волновыми уравнениями, слабо зависит от течения, которое удовлетворяет уравнениям движения, то очевиден отрицательный результат опытов Майкельсона-Морли по обнаружению “эфирного ветра”.

Течение “эфира” не может существенно изменить характер и скорость распространения волн плотности в ней. В-третьих - поток любой среды (например, воздуха, воды) оказывает на материальные тела давление пропорциональное плотности. В том случае, когда плотность среды отрицательная, это давление превращается в силу, направленную против течения. Следовательно, если материальное тело может излучать среду с отрицательной плотностью, то она будет оказывать гравитационное воздействие на окружающие тела. Таким образом, идея о фиктивной массе позволяет более естественно объяснять некоторые известные физические явления и эксперименты. Для того, чтобы охватить все явления, очевидно, необходимо построить модель Вселенной с фиктивной массой, которая опирается на минимальный набор гипотез.

Такая модель далее называется теорией физического пространства (ТФП). Понятно, что в этой теории речь идет уже не о фиктивной массе, а о реальной среде, которая не просто заполняет, а составляет окружающее нас пространство . Основу модели физического пространства составляют две дополняющие друг друга гипотезы, смысл которых состоит в обеспечении образования и сохранения материи без привлечения неопределенной энергии и третьих сил. Гипотеза симметрии: В пространстве существуют только две среды, одна из которых имеет положительную плотность и называется материей, а другая имеет отрицательную плотность и называется физическим пространством. Эти среды состоят из неделимых частиц, которые образуются и исчезают (аннигилируют) парами.

В настоящей модели, где материя существует только на волнах физического пространства, под пустотой понимается ограниченная область в пространстве, где нет ни материи, ни физического пространства. Пустота неустойчива в том смысле, что на ее поверхности, граничащей с окружающим физическим пространством, всегда происходит волновой процесс образования материи и физического пространства. Т.е. пустота постоянно “выгорает” подобно любому другому топливу и является .

Образование пустоты связано с аннигиляцией материи и физического пространства, т.е. с поглощением энергии, которая переходит в потенциальную энергию пустоты. Причем, чем больше аннигилирующие массы, тем больше образующийся объем пустоты. Типичным примером пустоты является шаровая молния, которая образуется при столкновениях разнозаряженных частиц и постепенно “выгорает” по поверхности.

Более интенсивно этот процесс происходит в обычной молнии. Другой способ образования пустоты – это гравитационный коллапс звезд. В этом случае материя вырождается и распадается на неделимые частицы в результате критического давления, т.е. давления, при котором материя теряет способность к движению и распадается. При аннигиляции с внутренним пространством происходит образование пустоты. Как только пустота достигает поверхности звезды запускается обратный процесс образования материи и пространства, что наблюдается как взрыв сверхновой. Наиболее близким к декларируемой пустоте теоретическим астрофизическим объектом является белая дыра, в область которой по определению не может проникнуть ничто. Израильский астроном Алон Реттер считает, что белые дыры, возникнув, сразу распадаются, процесс напоминает Большой взрыв (Big Bang), поэтому и называется, по аналогии, Малый взрыв (Small Bang).

Отличие в представлении теории физического пространства состоит в том, что изначально происходит процесс поглощения материи в некоторой области пространства по примеру черной дыры, которая потом преобразуется в белую дыру и воспроизводит материю в том же количестве, что и было поглощено. Только это будут уже другие звезды и другие галактики. Из гипотез модели следует, что материя во всех ее проявлениях существует в физическом пространстве. Свободные и вынужденные колебания, излучение и течение физического пространства объясняют такие явления, как свет, атом, магнетизм, инерция, гравитация, «скрытая» масса, и др. По этому поводу Эйнштейн писал, что

“требование сведения явлений к физическим причинам выдвигаются пока еще недостаточно требовательно и будущим поколениям эта нетребовательность покажется непонятной”.

Применение теории физического пространства к трактовке различных явлений реального мира является увлекательным занятием, как и всё новое. Но в ограниченном объеме публикации это можно продемонстрировать только на примерах, в которых проявляются различные свойства физического пространства.

Микромир

Из волнового характера процесса “горения” пустоты, когда на поверхности одновременно образуются элементарные частицы и возбуждаются волны колебания плотности физического пространства, следует, что известная корпускулярно-волновая природа элементарных частиц не является выбором между волной и частицей, а представляет собой движение частиц одной среды (материи) на волнах другой среды (физического пространства). Причем, длина волны количественно характеризует элементарную частицу, т.к. она ограничивает ее размеры. Разным длинам волн в пространстве соответствуют разные частицы. Распространение элементарных частиц в пространстве со скоростью света означает, что скорость света - это скорость распространения возмущений в физическом пространстве.

Волны в физическом пространстве могут возбуждаться и другими способами. Например, вращением материальных тел, но это не приводит к распространению излучения, т.к. отсутствует источник излучения или процесс “горения” пустоты. Природа вынужденных колебаний физического пространства, сложна и многообразна. Здесь возможны радиальные, тангенциальные, спиральные волны и их наложения, вихри и т.д. Вопрос только в том, какому реальному физическому процессу соответствуют эти явления? Очевидно, что вынужденные колебания физического пространства можно связать с магнитным полем (радиальные волны), структурой атома (наложение спиральных волн), электрическими зарядами (вихри) и т.д. Не вдаваясь в подробности, можно утверждать, что в модель Вселенной с физическим пространством гармонично вписываются различные явления микромира.

Мир

Из всех явлений реального мира наиболее таинственной до сих пор остается гравитация . Вопрос о том, почему подброшенный камень падает на землю, занимает человечество на всем протяжении своего существования и не имеет однозначного ответа до сих пор. Гравитация также является пробным камнем для различных альтернативных моделей Вселенной, в которых никогда не было недостатка. И, несмотря на то, что многие физические явления в этих моделях становятся более простыми и понятными, авторы сознательно обходят толкование гравитации.

Это в полной мере относится и к современной физике. Объяснение гравитации воздействием потока физического пространства не является тривиальным, но может быть последовательно осуществлено, исходя из свойств микромира. Во-первых, почему все материальные тела излучают физическое пространство ? Излучение материи материальными телами известно, т.к. почти вся информация о материальных телах основана на регистрации излучения материи.

Но если в модели образование материи и физического пространства происходит в равных количествах, то, очевидно, что тела излучают и физическое пространство. Кстати, образующееся избыточное физическое пространство проясняет и сам факт расширения Вселенной. Во-вторых, если связывать величину гравитации со скоростью потока физического пространства , то необходимо объяснить, почему она не зависит от скорости самого тела? Или, почему тела могут двигаться с постоянной скоростью относительно физического пространства, т.е. по инерции?

Действительно, при взаимодействии тела, движущегося с постоянной скоростью, с любым внешним потоком, в том числе и с отрицательной плотностью, оно должно изменять скорость. Но поток физического пространства не является чисто внешним по отношению к телу, т.к. физическое пространство излучается и самим телом. Величина и направление этого 6 излучения изменяют характер движения. Для того чтобы привести в движение покоящееся тело, необходимо затратить энергию.

В данном случае энергия расходуется на изменение направления потока физического пространства внутри тела. Т.е. собственное выделение физического пространства является для тела движущей реактивной силой, которая нейтрализует воздействие внешнего потока при движении по инерции. Само же изменение направления потока физического пространства в теле может происходить в результате изменения внутренней структуры атомов, ее симметрии, например, эллиптичности орбит электронов.

Таким образом, инерционное движение тела происходит с фиксированной внутренней структурой ее атомов, а при воздействии внешних сил изменяются структура и скорость относительно окружающей антиматерии. Следовательно, изменение скорости внешнего потока также равнозначно приложению внешней силы. Это следствие решает проблему эквивалентности гравитационной и инертной масс тела. Известно, что скорость физического пространства от центрального источника уменьшается пропорционально квадрату расстояния, т.е. так же, как и сила притяжения. И то, что называется гравитационным полем, оказывается полем скоростей течения физического пространства от множества источников, которыми являются звезды, планеты и др. материальные тела .

Макромир

Влияние физического пространства на движение материи имеет три существенно отличающихся уровня, которые имеют и различное математическое описание. На уровне элементарных частиц это влияние описывается волновыми уравнениями для физического пространства, т.к. движение элементарных частиц сопровождается распространением волн плотности в физическом пространстве . Механика Ньютона, дополненная силами гравитации, эквивалентными полю скоростей течения физического пространства, является приближенным методом для исследования движения материальных тел в физическом пространстве.

Третий уровень влияния физического пространства на движение материи отличается тем, что здесь уже расстояния между галактиками таковы, что определяющая роль в их движении принадлежит течению идеальной среды, каковой является физическое пространство. Направление гравитационной силы в каждой точке пространства совпадает с направлением течения физического пространства, что не соответствует положениям классической механики о том, что гравитационная сила всегда направлена в сторону притягивающего центра. Отклонение течения физического пространства от радиального направления происходит вследствие вращения источника и оказывает, в частности, заметное влияние на движение материи вокруг звезд и ядер галактик.

Однако, эти материальные образования имеют различное внутреннее строение, в результате, физическое пространство ядра галактики вращается вместе с ним и отклонение течения физического пространства от радиального нарастает при удалении от центра, а для звезды наоборот, с приближением к поверхности физическое пространство увлекается вращающейся массой материи. Вращение физического пространства вместе с ядром галактики. Этим и обусловлено незатухающее движение материи при удалении от ядра галактики, которое трактуется в современной космологии как влияние “скрытой массы”, и ускоренное движение материи с приближением к поверхности звезды, примером которого является смещение перигелиев планет солнечной системы .

В чем проблема гипотезы о темной материи?

Тезис о существовании темной материи основан на расхождении наблюдаемых данных от теоретических кривых из уравнений движения Кеплера . Но что означает расхождение между кривыми, описывающими один и тот же физический процесс, если это расхождение заключается в стремлении экспериментальных кривых не к нулю, а к какой-то другой асимптоте, может даже и не горизонтальной. Это может означать не только существование темной материи, но и отсутствие соответствия между физическим процессом и уравнениями, с помощью которых мы пытаемся его описать.

Проблема в том, что мы рассматриваем движение материи вокруг галактики в едином геометрическом пространстве от центра ядра галактики и до бесконечности, тогда как физическое пространство галактики вращается вместе с ней относительно всего остального окружающего пространства. Это обстоятельство никак не учитывается в используемых уравнениях движения, что и приводить к противоречиям, для объяснения которых приходится вводить мифическую темную материю. Физическое прсотранство из-за отрицательной плотности постоянно находится в условиях однородного сжатия В любом ограниченном объеме это невозможно, потому что давление и плотность на границе равны нулю. Поэтому можно утверждать, что в теории физического пространства Вселенная является неограниченной. Более того, ограниченность Вселенной означала бы, что ее границей является пустота и по всей границе происходит непрерывный процесс образования материи и физического пространства, т.е. излучение от границы намного превосходило бы излучение от всей материи внутри Вселенной.

Альтернативой Большому взрыву или причиной расширения в теории физического пространства являются местные аннигиляции больших объемов материи и физического пространства, в частности, взрывы сверхновых звезд. Учитывая, что объём образующейся пустоты значительно меньше эквивалентного объема физического пространства, при взрывах происходит местное сжатие Вселенной. Таким образом, медленное и всеобщее расширение Вселенной сопровождается быстрыми местными сжатиями. Образующийся при этом ограниченный объём пустоты в результате деления на множество более мелких пустот и их “горения” вновь превращается в галактику. Известно же, что взрывы сверхновых сопровождаются образованием звездных систем и туманностей. Экспериментально связь между взрывами сверхновых и сжатиями пространства не исследовалась, возможно по той причине, что нет теории, которая предсказывала бы такую связь. Но странные траектории движения огромных масс, которые никак не вписываются в парадигму ускоренного расширения Вселенной, могут быть объяснены, в том числе, местными сжатиями пространства.

«Столкновение Млечного Пути и галактики Андромеды (M31), двух крупнейших галактик в Местной группе, как предполагают, случится приблизительно через четыре миллиарда лет».

В современной космологии возможность этого столкновения списывают на гравитационное взаимодействие. Это очень странное предположение, если учесть, что более 20 галактик местной группы находятся значительно ближе к нам (чем М31) и не угрожают столкновением. Одной из проблем современной физики является сомнительность объяснения образования звезд, планет и т.д . Большим взрывом, тогда как равномерно распределенная в пространстве протоматерия находится в состоянии расширения, т.е. уменьшения плотности и притяжения между частицами, что никак не может способствовать их объединению. Кроме того, образование звезд и планет в разных областях Вселенной происходит и в настоящее время, когда текущее состояние космоса значительно отличается от периода звездообразования после Большого взрыва.

В теории физического пространства материя образуется на поверхности ограниченного объема пустоты и находится в состоянии постоянного притяжения к ее центру. В этом процессе можно выделить две стадии: первая - это деление исходной пустоты образовавшейся в результате крупномасштабной аннигиляции, когда “осколки” удаляются друг от друга под действием сил отталкивания образующимся физическим пространством. И вторая - это превращение “осколков” в сферы путем отделения выступающихся частей. Так как эти стадии разнесены во времени, на “осколках” уже имеется поверхностный слой материи, и на отделяющиеся части действуют не только силы отталкивания, но и силы притяжения к исходному ядру, которые превращают их в естественные спутники. В реальном мире с этими стадиями связано образование звездной системы галактики (первая стадия) и образование планетных систем (вторая стадия). Доклад академика В.A. Амбарцумяна на Общем собрании Академии наук СССР при вручении ему медали им. М.В. Ломоносова.

Вестник Академии Наук СССР, 1972, №5:

«Не оставалось ничего другого, как, отбросив ни на чем не основанные, предвзятые представления о сгущении рассеянного вещества в звезды, просто экстраполируя наблюдательные данные, выдвинуть диаметрально противоположную гипотезу о том, что звезды возникают из плотного, скорее сверхплотного вещества, путем разделения (фрагментации) массивных дозвездных тел на отдельные куски».

Заключение

Очевидно, что введение физического пространства в корне изменяет представление о Вселенной. Между тем, в специальной и научно-популярной литературе современные основы физики не подвергаются сомнению. Утверждение о том, что материя бесконечна “и вширь и вглубь” является весомым аргументом в пользу бесконечности процесса познания. Но если предположить, что теория физического пространства верна, то, очевидно, что в больших масштабах Вселенная квазипериодична, т.е. ничего нового увидеть уже не удастся, а при выделении малых объемов материя просто исчезает. Методологическая проблема современной физики, как это следует из модели физического пространства, состоит в том, что Вселенная в больших масштабах не является предметом динамики материальных тел (или точек) в пустом пространстве, а должна исследоваться методами механики течения идеальной сплошной среды, каковой является физическое пространство, с дискретными включениями материальных тел. Утверждение теории физического пространства возможно только тогда, когда она станет предметом обсуждения в научных кругах, а ее преимущества будут подкреплены существенными результатами в освоении белых пятен, которых немало в окружающем мире.

Следует отметить, что теория физического пространства не противоречит никаким известным данным экспериментальной физики, последовательно и без сингулярностей описывает разные уровни организации материи. От всех других моделей Вселенной, в том числе и от модели Большого взрыва, теория физического пространства отличается простотой, которая свойственна природе и является одним из критериев истинности. Неизбежность такого упрощения предполагает выдающийся английский физик Стивен Хокинг, когда пишет: “Если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы будут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам”.