Единство пространства и времени в физике кратко и понятно

Обновлено: 30.04.2024

Особенностью физики является то, что она оперирует понятиями, которым соответствуют измеримые, характеризуемые числом величины. Многие важные понятия обыденного языка (например, ум, справедливость), а также и белее утонченные философские категории не таковы. Это существенное самоограничение, но благодаря ему физические высказывания приобретают четкий и однозначный смысл и, что не менее важно, могут быть подвергнуты экспериментальной проверке.

Измеримые величины называются наблюдаемыми, и утверждения относительно наблюдаемых величин проверяемы. Физика старается избегать высказываний, которые сами либо выводимые из них следствия не могут быть в принципе проверены и либо подтверждены, либо опровергнуты (важна именно принципиальная возможность проверки, независимо от того, осуществима ли она имеющимися в данный момент средствами).

Объектом изучения физики является реальное физическое пространство-время с ее материальными составляющими. Метод изучения – формулирование математических моделей этой реальности. Основные составляющие модели – пространство, время и материя . И, конечно, взаимодействия . Цель - найти законы, коррелирующие эти "человеческие" (т.е. придуманные человеком) понятия.

Пространство и время

Математической моделью физического пространства можно взять евклидово 3-мерное пространство, а математической моделью физического времени можно взять 1-мерное пространство. Объединяя эти два пространства, получаем 4-мерное пространство-время. Параметризация физического пространства осуществляется пространственными координатными осями r ~ r ⁱ : ( r ¹ , r ², r ³), а параметризация физического времени - координатой t . Общую параметризацию можно осуществить координатами q = q ⁱ :( q º, q ¹ , q ², q ³) ~ ( t, r ⁱ ), Координаты r и t играют особую роль в понимании природы, потому что именно через них человек познает мир и именно они доступны в наших ощущениях для познания Вселенной. Размерность подпространства t – единица, подпространства r ⁱ– три, общая размерность пространства–времени – четыре. Через них определяется геометрия пространства, ее метрика. Но этим, возможно, не исчерпываются размерности пространства.

Материя

У нас еще не определена материя. Определенное выше пространство-время является вместилищем для ее материальной составляющей. Встает вопрос – вместилище чего? Раз мы оперируем абстрактными математическими моделями реальной Природы, то "вмещаемые" также являются абстрактными математическими объектами. Например, функциями, которые отличают одну точку пространства-времени от другой. Такой функцией, практически тривиальной, лежащей прямо на виду, являются координаты пространства-времени: две точки с отличающимися координатами, являются двумя "материальными составляющими пространства-времени. Т.е. уже само наличие пространства-времени можно принять в качестве интерпретации доказательства существования материи.

Существование материи в пространстве может быть определено ненулевыми инвариантными функционалами некой математической функции, интерпретируемой как материя. Математической моделью дискретной материи являются материальная точка (м.т. или с.м.т. – система материальных точек) с параметрами "масса" и "заряд" (расширенно - заряды). Математической моделью полевой (или сплошной) материи являются плотность распределения материи в пространстве-времени с параметрами "плотность массы" и " плотность заряда". Все остальное суть их следствия, а это – энергия, скорость, ускорение, сила, импульс, момент импульса, ток и другие параметры материальной субстанции.

Материя, пространство, время как одно целое неделимое

В определенной выше концепции пространство и время существуют независимо друг от друга и от матери. Но материя в форме функции по пространству-времени не может существовать вне пространства-времени. Поэтому в современной физике постулируется, что материя, пространство и время взаимосвязаны и не существуют врозь. В нашей физической модели мы тоже постулируем эту же взаимосвязь – материя есть свойство пространства-времени, пространство и время есть способ существования материи. Эта взаимосвязь во времени определяется как "движение" материи.

Крайними формами существования материи являются дискретные объекты типа м.т. и их системы. Другая крайность – полевая форма существования материи. Пустое пространство – это пространство, заполненное материей с нулевым функционалом. Пустое – не в смысле математического "пустого множества", что означает, что ее не существует, что в ней вообще нет никаких элементов, тем более - структур. Пустое – в смысле, что оно не математически "пустое множество", что в ней имеются отличимые друг от друга элементы, точки, другие объекты, но таким образом, что пространство-время остается однородным, изотропным и с другими внутренними симметриями.

Математически единство пространства-времени-материи проявляется через различные физические и геометрические полевые и дискретные функции и их композиции. Крайностями этого описания являются

1) пустое однородное изотропное без особенностей пространство;

2) дискретные точечные физические объекты в пространстве;

3) физические поля в евклидовом пространстве и

4) многомерное топологическое метрическое (риманово или галилеево) пространство.

Пустое пространство (1) возможно, но изучать ее некому. Оно однородно, изотропно и не имеет структуры. Но в пустое пространство можно вложить (не)однородно и (не)изотропно вложенную функцию-материю (2) и (3), и/или определить ее структуру (4) и изучать ее. Однородная и изотропная материя уже есть однородное и изотропное пространство-время-материя. Многомерное топологическое метрическое пространство (4) уже имеет структурные особенности, которые можно интерпретировать как дискретную и/или полевую физическую материальность.

Если модель физического пространства изучается в полном объеме, без упрощения, то физика пространства определяется через функции от обобщенных многомерных (бесконечномерных) координат, задающие свойства каждого объекта (точки) физического пространства во всех измерениях. Эти свойства могут быть интерпретированы как материальные поля либо как геометрические свойства физического пространства.

Если модель физического пространства изучается не в полном объеме, с упрощением, то физика пространства может определяться через функции от координат некоторого выделенного подпространства, в частности R¹×R³. Переход к этому 4–мерному пространству будет происходить свертыванием (вымораживанием) лишних измерений. Дополнительные измерения могут рассматриваться как самостоятельно (см. предыдущий случай), так и могут изучаться упрощенно через поля обобщенных свойств в пространстве дополнительных измерений.

С другой стороны, что полно – а что упрощенно? Может сказать только эксперимент.

Существенной особенностью физического рассмотрения пространства является то, что человек фиксирует только некоторые дискретные объекты и события, "интегрального" характера. Следствием этого (или наоборот?) является то, что мы начинаем оперировать понятиями "материальный объект", "материальная точка", "элементарная частица", "квант поля", "событие". Т.е. свойства пространства должны допускать какую–то дискретизацию своего состояния. В механике таким объектом является материальная точка и материальный объект.

Если вам понравилась статья, то поставьте "лайк" и подпишитесь на канал! Если не понравилась – все равно комментируйте и подписывайтесь. Этим вы поможете каналу. И делитесь ссылками в ваших соцсетях!

Если хотите узнать, что обозначает слово или словосочетание, в ОПЕРЕ выделите это слово(сочетание), нажмите правую клавишу мыши и выберите "Искать в . ", далее - "Yandex". Если это текстовая ссылка – выделите ее, нажмите правую клавишу мыши, выберите "перейти …". Все! О-ля-ля!

Чем активнее учёные пытаются разобраться в устройстве пространства и времени, тем запутаннее все становится. Но и интереснее — тоже!

С точки зрения физики, исследуя ничтожно малое пространство, мы увидим, что оно состоит из квантов. Но что это за кирпичики?

Люди, как правило, воспринимают пространство как нечто само собой разумеющееся. Ну, в самом деле: это просто-напросто пустота, фон для всего остального. Время тоже простая штука: беспрестанно тикает и тикает. Однако, если физики, долгие годы бившиеся над объединением их фундаментальных теорий, и сумели извлечь из этого хоть что-то полезное, так это то, что пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что любые, даже самые отчаянные попытки осмыслить её могут оказаться тщетными.

Продвинуться далеко Эйнштейну не удалось. Даже сейчас конкурирующих версий квантовой теории гравитации почти столько же, сколько учёных, работающих над данной темой. В горячих спорах упускают из виду важную истину: все конкурирующие версии говорят о том, что пространство происходит от чего-то более глубокого. Эта идея идёт вразрез с 2500-летним опытом научного и философского осмысления пространства.

Вглубь чёрной дыры

Проблему, стоящую перед физиками, прекрасно иллюстрирует обычный магнит. Он легко поднимает с пола скрепку, несмотря на гравитацию целой планеты Земля. Гравитация слабее магнетизма, электрических и ядерных связей. Какими бы ни были квантовые эффекты, они чрезвычайно слабы. Единственное осязаемое свидетельство того, что они всё же существуют, — это пёстрый узор ранней Вселенной, который, как полагают, не мог появиться без участия квантовых флуктуаций гравитационного поля.

На подступах к чёрной дыре материя не настолько сжата и гравитация не настолько сильна, чтобы не работали известные нам законы физики. Однако они, как это ни странно, не работают. Границей чёрной дыры является горизонт событий, рубеж невозврата: материя, которая сюда попадает, вернуться не может. Спуск в дыру необратим, и это — физическая проблема, ибо все известные ныне законы фундаментальной физики, в том числе квантовой механики в её обычной интерпретации, обратимы. У вас должна быть, по крайней мере, принципиальная возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить то, что у вас было.

Над проблемой равновесия чёрных дыр физики-теоретики бьются уже почти полвека. В середине 1970-х годов недавно почивший Стивен Хокинг (Stephen Hawking) из Кембриджского университета (University of Cambridge) сделал огромный шаг вперёд: изучая с помощью квантовой теории поле излучения вокруг чёрных дыр, он показал, что температура этих объектов не является нулевой. В таком случае, они не только поглощают, но и излучают энергию. Хотя благодаря Хокингу чёрные дыры прописались в термодинамике, проблема необратимости усугубилась. Излучение чёрной дыры не несёт никакой информации о том, что у неё внутри. Это случайная тепловая энергия. Если, запустив данный процесс в обратном порядке, вы вернёте дыре её энергию, то поглощённая ею материя не выскочит назад; вы просто получите больше тепла. И нет оснований считать, будто попавшие в дыру материальные предметы всего лишь заперты в ней, но продолжают существовать, ибо, излучая, дыра сжимается и, согласно расчётам Хокинга, в конце концов неминуемо исчезает.

Эту проблему называют информационным парадоксом, так как чёрная дыра съедает ту информацию о поглощённых ею частицах, с помощью которой вы могли бы обратить их движение вспять. Если физика чёрных дыр действительно допускает обратимость любого процесса, то что-то должно нести информацию из этих дыр, и, чтобы так оно и было, возможно, нашу концепцию пространства-времени следует изменить.

Атомы пространства-времени

Тепло — это хаотическое движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, разумно предполагать, что они включают в себя частицы — в общем, имеют микроскопическую структуру. А поскольку чёрная дыра — это всего-навсего пустое пространство (согласно общей теории относительности, поглощаемая материя проходит через горизонт событий, но не может не исчезнуть), её частицы должны быть частицами самого пространства. Чёрная дыра, простая настолько, насколько может быть простым простор пустого пространства, скрывает в себе беспредельную сложность.

Даже теории, провозглашающие свою приверженность обычному пониманию пространства-времени, в конечном итоге приходят к выводу, что за этим безликим фасадом что-то скрывается. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий в Техасском университете в Остине (University of Texas at Austin), стремился дать описание гравитации, похожее на описание других сил природы. Однако и он вынужден был отметить, что пространство-время, если брать его в том масштабе, в каком оно проявляет себя максимально ярко, выглядит весьма и весьма необычно.

Первоначально физики изображали микроскопическое пространство в виде мозаики, сложенной из маленьких кусков. Считалось, что взглянув на него в масштабе Планка, то есть имея дело с умопомрачительно малой единицей длины, составляющей 10 −35 метров, мы увидим нечто вроде шахматной доски. Однако, на самом деле, картина пространства будет несколько иной. И, прежде всего, следует отметить, что в сетке этой шахматной доски разные направления неравноценны, в результате чего имеют место асимметрии, противоречащие специальной теории относительности. Например, скорость света может зависеть от его цвета — точь-в-точь как в стеклянной призме, расщепляющей свет на цвета радуги. И эти нарушения относительности будут бросаться в глаза, хотя обычно, имея дело с малыми масштабами, трудно наблюдать какие-либо эффекты.

Кроме того, термодинамика чёрных дыр заставляет усомниться в том, что пространство представляет собой простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете более или менее точно рассчитать число входящих в неё частей. Вбросьте в систему энергию и посмотрите на термометр. Если температура взлетела, вброшенную энергию получило сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, то, что вы измеряете, — это энтропия. Она характеризует микроскопическую сложность системы.

Этот странный эффект называют голографическим принципом, потому что он ассоциируется с голограммой. Глядя на голограмму, мы видим трёхмерный объект, хотя, на самом деле, перед нами двухмерный лист плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические частицы пространства и его содержание, — а с этим согласны многие физики-теоретики, — то для создания пространства мало простого объединения маленьких кусочков.

Что именно представляют собой эти кирпичики, зависит от теории. В теории петлевой квантовой гравитации это — кванты объёма, взаимодействующие на основе квантовых принципов. В теории струн это — родственные электромагнитным поля, живущие в плоскости, образуемой движущейся струной — нитью или петлёй энергии. В М-теории, которую можно рассматривать как фундамент теории струн, это — особый тип частиц: мембрана, сжатая в точку. В теории причинностного множества (causal sets theory) это — события, связанные сетью причины и следствия. В теории амплитуэдра и некоторых других теоретических схемах никаких кирпичиков, образующих пространство, нет вообще — по крайней мере, в том смысле, в каком их обычно понимают.

Запутанные сети

Большой интеллектуальный прогресс последних лет, разрушивший старые границы физических теорий, состоит в осознании того, что изучаемые физикой отношения могут быть связаны с квантовой запутанностью. Будучи сверхмощным типом корреляции, который исследуется в рамках квантовой механики, запутанность, по-видимому, первичнее пространства. К примеру, экспериментатор может сделать так, чтобы две частицы полетели в противоположных направлениях. Если эти частицы запутаны, то, каким бы огромным ни было разделяющее их пространство, между ними сохранится координация.

В настоящее время целый ряд концепций квантовой гравитации — и, прежде всего, теория струн — отводит запутанности решающую роль. Теория струн применяет голографический принцип не только к чёрным дырам, но и ко всей Вселенной. При этом получился рецепт создания пространства — по крайней мере, некоторых его видов. Например, структурированные особым образом поля, пронизывая двухмерное пространство, генерируют дополнительное измерение. С появлением третьего измерения исходное двухмерное пространство превращается в границу более роскошного царства, известного как объёмное пространство. И то, что объединяет объёмное пространство в сопредельное целое, это — запутанность.

По-видимому, запутанность определяет не только сопредельность пространства, но и многие другие его свойства. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл (Brian Swingle), ныне работающий в Мэрилендском университете в Колледж-Парке, объясняют универсальный характер гравитации — то, что она затрагивает все объекты и не поддаётся экранированию, — вездесущностью запутанности. Что касается чёрных дыр, то Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфордского университета (Stanford University) и Хуан Мальдацена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, считают, что запутанность между чёрной дырой и её излучением создаёт лаз — чёрный вход в дыру. Возможно, это поможет физике чёрных дыр решить проблему сохранения информации и обратимости.

Данные идеи теории струн работают только в рамках конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства. Некоторые исследователи попытались объяснить, как всё пространство может возникнуть с чистого листа. К примеру, Чуньцзюнь Цао (ChunJun Cao), Спиридон Михалакис (Spyridon Michalakis) и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), начинают с минималистского квантового описания системы, введённой без прямой ссылки на пространство-время и даже на материю. Если система имеет правильную структуру корреляций, её можно расщепить на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.

Не только в физике, но и в других естественных науках пространство и время — основа всех теорий. Однако мы не можем наблюдать пространство-время непосредственно. Мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что некий механизм, действующий в пространстве-времени, — это наиболее экономичное объяснение наблюдаемых нами явлений. Но главный урок, который следует извлечь из теории квантовой гравитации, состоит в следующем: не все явления аккуратно вписываются в пространство-время. Физикам нужно найти какой-то новый фундамент, и, найдя его, они смогут завершить революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.

Что такое пространство и время. Понятие о теории относительности

Механика изучает законы движения (перемещения) и взаимодействия тел. Эти законы являются обобщением наблюдений над окружающими явлениями. Примерно до начала текущего столетия эти наблюдения ограничивались телами, имеющими значительную массу (грамм, килограмм), скорости движения которых относительно малы и во всяком случае несоизмеримы со скоростью света.

Для краткости эти тела называют макроскопическими. Для них и была разработана механика, получившая название классической или ньютонианской.

В начале текущего столетия физика проникла в микромир — так условно называется мир атомов и элементарных частиц, т. е. тел, имеющих ничтожно малую массу и движущихся со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Оказалось, что во многих случаях при этом законы классической механики имеют только приближенный характер.

Не укладывались в рамки классической механики и некоторые вновь открытые явления в области макромира, особенно при движении тел с большими скоростями. В связи с этим были созданы две новые более универсальные теории:

Теория относительности
Квантовая, или волновая механика.

Любые физические явления и прежде всего движение тел происходят в пространстве и во времени. Поэтому научные представления о пространстве и времени имеют фундаментальное значение для физики.

Пространство и временя в физике

Классическая физика основывалась на представлениях об абсолютных пространстве и времени, введенных в науку Ньютоном. Согласно, Ньютону пространство есть беспредельная пустота, существующая сама по себе, независимо от того, есть ли в ней какие-либо тела или нет.

Пространство имеет три измерения:

Оно неподвижно и неизменно, но проницаемо для тел. Через находящиеся в нем тела оно и познается.

Время по Ньютону есть существующая сама по себе бесконечная длительность. Время течет равномерно и безостановочно от прошлого к будущему, независимо от того происходят при этом какие-либо события или не происходят. Однако определенные промежутки времени отличаются по происходящим в них событиям. Время может быть измерено посредством точно повторяющихся в нем материальных процессов, например вращения земли вокруг оси, колебаний маятника и т. п.

Такие представления вполне соответствовали современным Ньютону взглядам на мир, на материю как совокупность тел, состоящих из неделимых частиц (атомов), которые существуют в абсолютных пространстве и времени.

Однако по мере развития физики эти взгляды постепенна обнаруживали свою несостоятельность и, наконец, в начале текущего столетия были заменены новыми представлениями, развитыми в теории относительности, которая была создана А. Эйнштейном (в 1905 г. — специальная часть, в 1915 г. — общая теория).

Что такое т еория относительности

Теория относительности представляет собой физическую теорию, рассматривающую с новой точки зрения общие пространственно-временные отношения в материальном мире. Название теории связано с тем, что в ней принцип относительности, установленный в свое время в классической механике, был распространен на любые явления природы.

Напомним, что принцип относительности движения в механике заключается в том, что взаимное перемещение тел в замкнутой системе (т. е. системе, на которую не действуют внешние силы) не зависит от того, находится эта система в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения (системы тел, двигающиеся одна относительно другой равномерно и прямолинейно, называются инерциальными системами).

Из принципа относительности следует, что одно и то же движение тела, происходящее в какой-либо инерциальной системе, будет наблюдаться различно, если наблю датель с ней связан (т. е. систе ма по отношению к нему неподвижна) и если он от нее не зависим, т. е, сама система двигается по отношению к наблюдателю равно мерно и прямолинейно. Можно сказать и более обще: одно и то же движе ние тела наблюдается различно в различных инерциальных системах.

Пример теории относительности

Например, пассажир Л, сидящий в вагоне двигающегося поезда, наблюдает падение предмета по вертикальной линии, тогда как наблюдатель Б, неподвижный относительно земли, при достаточно большой скорости поезда видит как предмет, падая, описывает кривую, называемую параболой (рис.).

Основное положение теории относительности устанавливает, что равномерное и прямолинейное движение замкнутой материальной системы как целого не влияет на ход любых процессов, происходящих внутри системы, или, что законы природы одинаковы во всех инерциальных системах.

Вторым, не менее важным положением теории относительности является утверждение о постоянстве скорости света: скорость света в вакууме является величиной постоянной, независящей от относительного равномерного и прямолинейного движения источника света и наблюдателя. Или, другими словами, скорость света в вакууме во всех направлениях в любых инерциальных системах одинакова. При этом скорость света в вакууме является максимально возможной в природе скоростью движения тел или скоростью распространения взаимодействия между ними.

На основании этих положений в теории относительности доказывается, например, что промежуток времени между какими-либо двумя событиями зависит от того, в какой инерциальной системе эти события рассматриваются. Например, события, одновременные в одной системе, будут наблюдаться неодновременными в другой и т. д. Течение времени в различных инерциальных системах отличается. Время не является абсолютным, оно связано с материальной системой тел, в которой наблюдается, следовательно, время относительно.

Расстояния между движущимися телами зависят от того, в какой инерциальной системе они наблюдаются. Поэтому и размеры тел в направлении движения в различных инерциальных системах также отличаются. Нет абсолютного пространства, оно связано с материальными объектами, следовательно, пространство относительно.

Связь между временем и пространством

Пространство и время взаимосвязаны и обусловливаются свойствами тел или явлений. Физическую реальность имеет только совокупная пространственно-временная характеристика событий. Она является четырехмерной величиной (три ее координаты х, у, z связаны с пространством, четвертая t— со временем).

Обычно пользуются величиной, которая называется пространственно-временным интервалом и представляет собой пространственно-временную разность между какими-либо двумя событиями. Подобно скорости света величина пространственно-временного интервала одинакова во всех инерциальных системах.

Пространство выражает непрерывность или прерывность, ограниченность, или неограниченность полей и тел, их относительные размеры и взаимное расположение. Время характеризует последовательность событий, совместность или отделенность их друг от друга, их относительную длительность.

В теории относительности устанавливается зависимость массы тел от скорости их движения, а также пропорциональность массы и энергии.

Заметим, что все эти положения теории относит ельности могут быть выражены математическими формулами (за кратко стью изложения они здесь не приводятся), а также подтверждаются соответствующими наблюдениями или экспериментами. Однако существенное практическое значение все эти положения имеют только при скоростях движения тел, соизмеримых со скоростью света.

Значение теории относительности

Теория относительности имеет исключительно большое научно-теоретическое значение, так как, во-первых, она дает наиболее правильное решение вопроса о пространстве и времени как физических величинах и, во-вторых, ее законы более точны и универсальны сравнительно с законами классической механики, однако практически она используется пока только в специальных областях физики и техники.

В широкой практике окружающих макротел вполне закономерно пользоваться данными классической механики, так как поправки к ним, которые вносит теория относительности, в данном случае ничтожно малы и учитывать их не имеет никакого смысла.

Статья на тему Пространство и время