Раздел 1. Физика глазами гуманитария: образы физики Пространство, время и материя в контексте культуры

Явления и процессы, происходящие с взаимодействующими объектами, протекают в пространстве и времени. Пространство и время обладают определенными свойствами, влияющими на ход физических явлений.

Вселенная Демокрита - Левкиппа состоит из пустого пространства и бесконечного множества неделимых мельчайших частиц - атомов, отличающихся не качественно (как у Анаксагора), а лишь по своему очертанию, положению и распределению.

Под природой Аристотель понимал совокупность физических тел, состоящих из вещества и находящихся в состоянии непрерывного движения или изменения. Всякое движение протекает во времени и пространстве. Пространство сплошь заполнено материей. Поэтому нет ни пустоты, ни мельчайших неделимых частиц - атомов, которые бесконечно падают в этой пустоте.

Природа Декарта сплошь заполнена материальными частичками. Духовное начало ее не зависит от материального. Основное свойство материи -протяженность. Пустого пространства не существует. Материальный мир находится в вечном движении, совершающемся в полном соответствии с законами механики. Отсюда и все процессы в природе можно свести к простому перемещению частиц в пространстве. Декарт выдвигает идею первоначального толчка, который привел в движение бесконечную непрерывную протяженность.

Согласно Ньютону, и пространство, и время абсолютны. Это означает, что пространство, в котором мы живем, может быть уподоблено существующему вечно, неограниченно большому, неподвижному “ящику” без стенок -вместилищу материи. Свойства этого “ящика” не меняются с течением времени и не зависят от того, как в нем распределено и перемещается вещество. Время во всех точках пространства текло и течет одинаково, т.е., в какие бы области пространства мы ни помещали часы, время они будут отсчитывать с одной и той же скоростью. Распределение вещества в таком неизменном пространстве и его движение определяются действием закона всемирного тяготения. Согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Поскольку время во всех областях пространства течет одинаково, а само пространство неизменно, то с помощью закона всемирного тяготения всегда можно рассчитать положение и движения небесных тел и друг относительно друга, и относительно “ящика” - абсолютного пространства.

В математике свойства какого-либо пространства, или, как говорят, его метрика, определяются видом той линии, которая кратчайшим образом соединяет две произвольные точки в нем. Как известно из повседневного опыта, в пространстве, в котором мы живем, кратчайшее расстояние между двумя точками есть прямая линия. Такое пространство называется евклидовым - по имени древнегреческого математика Евклида, который первым рассмотрел его свойства.

Ньютоновские представления о пространстве и времени верны лишь в относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по тем же меркам промежутков времени. Они перестают соответствовать действительности только тогда, когда речь идет об описании Вселенной в целом, а также в сильных полях тяготения.

В 1916 г. А.Эйнштейн создал общую теорию относительности, которую часто называют современной теорией гравитационного поля, а также теорией структуры “пространства-времени”. Как оказалось, эти два понятия органически связаны.

Из общей теории относительности следует, что реальное пространство нашей Вселенной неевклидово. Более того, геометрия нашего пространства меняется с течением времени, а само время течет с разной скоростью в разных областях Вселенной.

Согласно этой теории, геометрические свойства пространства, изменение его геометрии со временем, а также скорость течения самого времени зависят от распределения и движения вещества - материи. В свою очередь, движение материи и распределение ее в пространстве зависят от его геометрии. Оба процесса взаимосвязаны: распределение и движение материи изменяют геометрию пространства-времени, а изменение геометрии пространства-времени определяет характер распределения и движения в нем материи. Эти процессы самосогласованы. А это означает, что и пространство, и время не абсолютны, а относительны - они проявляют себя по разному в зависимости от конкретных условий.

Согласно общей теории относительности, степень искривления пространства, т.е. степень отклонения его от евклидовой геометрии, сильнее там, где материя обладает большей энергией. В этих же условиях время течет медленнее.

Наше пространство является “плоским” в том смысле, что оно удовлетворяет всем аксиомам геометрии Евклида. Движение свободного тела в таком пространстве является равномерным и прямолинейным - движением по инерции. Движение тел по инерции есть проявление однородности пространства и времени.

Однородность пространства означает, что любая его точка физически равноценна, т.е. перенос любого объекта в пространстве никак не влияет на процессы, происходящие с этим объектом. (Один и тот же физический эксперимент, поставленный в Москве или в Нью-Йорке, дает одинаковые результаты).

Однородность времени нужно понимать как физическую неразличимость всех моментов времени для свободных объектов. Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружением, то для них любой момент времени может быть принят за начальный. (В свое время Архимед открыл законы плавания тел. В настоящее время каждый из нас может легко их воспроизвести).

Вблизи таких объектов, как, например, черные дыры, пространство может обладать очень сложными геометрическими формами. Огромные массы вещества, содержащиеся в галактиках и их скоплениях, искривляют пространство. Однако кривизна реального пространства Вселенной мало отличается от нуля. Вот почему кратчайшее расстояние между двумя точками в земных условиях и до ближайших звезд нашей Галактики есть все же прямая линия.

Эйнштейн показал органическую взаимосвязь пространства и времени, относительность пространственных и временных соотношений в материальном мире. Пространство и время определяются распределением и движением масс материи. В связи с этим на смену представлениям о бесконечной неизменной Вселенной приходят другие представления.

Чтобы легче понять, какова модель Вселенной по Эйнштейну, обратимся к двумерному пространству. Представим себе плоское существо, “жука”, живущее на растяжимой поверхности. Бросим на эту поверхность стальной шар, поверхность прогнется, но жук этого не заметит, так как вне этой поверхности для него ничего не существует. Если бросим второй шарик, то он скатится в углубление в первому, а жуку покажется, что второй шарик притянулся к первому.

Эта аналогия позволяет понять теорию Эйнштейна, согласно которой вблизи всякого инертного тела пространство искривляется. В искривленном пространстве наименьшим расстоянием между двумя точками является геодезическая кривая. В таком пространстве свободное движение тела происходит по геодезической кривой.

Если представить, что криволинейное движение тел под действием силы тяготения - это свободное движение в искривленном пространстве, то можно считать, что всякое тело вблизи себя искривляет пространство и это искривление передается подобно волне, от точки к точке. Тогда не надо будет говорить о силах тяготения.

Но движение под действием этих сил не только криволинейное, ускорение может меняться и по модулю. Чтобы объяснить тяготение изменением свойств пространства, надо превратить время в одно из измерений пространства. В теории относительности фигурирует четырехмерное пространство (четвертой координатой является время), искривление которого позволило Эйнштейну полностью объяснить все явления, связанные с тяготением. Это искривление производят тела. В зависимости от плотности вещества геометрия такого пространства может быть приближенно евклидовой, или геометрией Лобачевского, или геометрией Римана.

Представления об искривленном пространстве дали возможность построить модели Вселенной, отличные от модели Ньютона. По одной из моделей мир безграничен, но не бесконечен (пример с поверхностью шара).

В 1922 году А.А.Фридман показал, что теория тяготения Эйнштейна позволяет построить еще две равноправные модели Вселенной: закрытую, подобно поверхности шара, и открытую (расширяющийся цилиндр).

Во времена Аристотеля считалось, что весь материальный мир построен из четырех основных субстанций - земли, воздуха, огня и воды. Это были своего рода “элементарные частицы” природы. В начале 30-х годов нашего столетия современная наука смогла найти более приемлемое описание строения вещества на основе четырех типов элементарных частиц - протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Это была простая и привлекательная схема: с помощью всего лишь четырех типов элементарных частиц, следуя законам квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их соединений и испускаемых ими излучений. Добавление пятой частицы - нейтрино - позволило объяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названные элементарные частицы являются основными кирпичиками мироздания.

Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Были открыты позитрон и более сотни различных мезонов. Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудный вопрос о том, что лежит в основе строения вещества. И пока еще не удалось найти ключа к решению загадки элементарных частиц.