4.2.3. Проблемы реального пространства

В перечень наиболее фундаментальных физических свойств реального пространства следует включить трехмерность, однородность, изотропность. Оно способно играть роль пассивного вместилища для вещества и поля, не оказывающего сопротивления при инерционном движении объектов. Заметим, что с точки зрения современной физики все или почти все из перечисленных метрических свойств носят характер идеализаций: инерционное движение возможно лишь при отсутствии (или при полной компенсации) силовых взаимодействий, изотропность предполагает отсутствие гравитации, а однородность - отсутствие изменяющихся полей и конечных объектов.

Получается, что данный набор метрических свойств характеризует пространство «в чистом виде», то есть без существования вещества и поля. Если содержание понятия материи традиционно ограничивать двумя известными видами (веществом и полем), то указанные свойства физического пространства оказываются по отношению к материи внешними. Но такое пространство, оторванное от материи, должно стать голой абстракцией, - чем же в этом случае будут определяться его свойства?

«Внематериальное» пространство не должно обладать объективными свойствами, иначе их существование носило бы сверхъестественный характер. Мы в этом случае должны были бы отказаться от попыток обоснования объективности метрических свойств реального пространства. Может быть, действительно, следует заявить, что этих свойств в реальности нет? Но тогда на чем будет основана, например, наша уверенность в истинности законов сохранения, тесно связанных с изотропностью и однородностью пространства (и времени)? Универсальные законы сохранения не могут быть лишь следствиями усреднения воздействий со стороны хаотически распределенных во Вселенной вещества и поля, поскольку они нарушались бы на длинах и временах меньших, чем характерные масштабы осреднения. Вопрос тем самым сводится к дилемме: являются ли перечисленные свойства пространства объективными или они чисто иллюзорны?

Прежде всего, необходимо констатировать, что понятия пространства и времени являются философскими категориями и не определяются в естествознании. Для естественных наук важно уметь определять численные характеристики - расстояния между объектами и длительность процессов, а так же - описывать свойства, доступные экспериментальному изучению. Поэтому дальнейшее исследование этого вопроса будем основывать не на философском, а на естественнонаучном подходе.

Рассмотрим проблему измерения расстояний и как производную от неё проблему ограниченности Вселенной. Измерить расстояние между двумя объектами - значит сравнить его с эталонным образцом. До недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, геометрическая форма которого слабо изменялась при изменении внешних условий. В качестве единицы длины был выбран метр, отрезок, сравнимый с характерными размерами человеческого тела. Очевидно, что в большинстве случаев эталон не укладывался целое число раз на длине измеряемого отрезка. Оставшаяся часть измерялась при помощи 1/10, 1/100 и т. д. эталона.

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

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

При измерении расстояний, значительно превышающих 1м, пользоваться эталоном длины вновь оказывается неудобно. Для измерения расстояний, сравнимых с размерами Земли, применяют методы триангуляции (определение большей стороны треугольника по точно измеренной меньшей стороне и двум углам) и радиолокации (измерение времени задержки отраженного сигнала, скорость распространения которого известна, относительно момента передачи). Для расстояний до удаленных звезд и соседних галактик указанные методы оказываются неприменимыми (отраженный радиосигнал оказывается слишком слабым, углы треугольника отличаются на слишком малую величину). На столь больших расстояниях наблюдаемыми оказываются только самосветящиеся объекты (звезды и галактики), расстояния до них оценивается исходя из наблюдаемой яркости.

Известно, насколько трудно представимы размеры наблюдаемой части Вселенной. Вопрос о том, имеют ли смысл большие расстояния, сводится к проблемам конечности и ограниченности Вселенной, до сих пор окончательно не решенным космологией. Со времен Ньютона считалось, что окружающий нас мир однороден и не может иметь границ (в противном случае возникал вопрос об их физической природе и о том, «что находится по другую сторону»). Однако, предположение о бесконечности Вселенной, совместно с естественным допущением о равномерном распределении звезд по объему и беспрепятственном распространении света в пространстве, приводил к заведомо абсурдному выводу о бесконечно ярком свечении ночного неба (так называемый парадокс ночного неба, или «парадокс Олберса»). Позднее пришло понимание того, что понятия бесконечности и неограниченности не эквивалентны друг другу (например, шар не имеет границ, но площадь его конечна).

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

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

При помощи маятниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосходящих 1сек. (человеческая жизнь длится около 100 лет), но и здесь возможности метода не беспредельны. Времена, сравнимые с возрастом Земли (около 5 млрд. лет) возможно оценивать лишь по полураспаду* атомов радиоактивных элементов. Максимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить в нашем мире, по-видимому, является возраст Вселенной, оцениваемый периодом в 20 млрд. лет. Началом существования нашего мира принято считать «Большой взрыв», произошедший в весьма малой области пространства, в результате которого возник наблюдаемый сейчас мир. События, произошедшие до «Большого взрыва» никак не влияют на настоящее и, следовательно, могут не рассматриваться.

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