Концепция пространства и времени в современной физике

       1. Концепция пространства и времени в современной физике.

       Введение

       Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.

       1.1. Теория относительности А. Эйнштейна.

       Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.

       Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца.

       В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

       Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

       Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10-6 - 10-15 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.

       Специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета. 

       1.2. Форма бытия материи - пространство-время.

       В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, а их нужно объединить в понятии четырехмерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи - пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот. «Но все же пространство и время, наряду с общими характеристиками, имеют такие всеобщие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи». [1, с. 142].

       Итак, теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

       Направленность времени, связанная с эволюцией систем, в физических картинах мира следует из второго начала термодинамики. Направленность времени, определяющая принцип причинности, отличает временные координаты от пространственных, причем для одновременных событий нет симметрии между «правым» и «левым». В современной картине мира в основу положены необратимые процессы, и поэтому возможно единообразное описание живого и неживого миров. 

       2. Биосфера Земли.

       1. В. И. Вернадский и учение о биосфере.

       Самый высокий уровень организации жизни на Земле - биосфера. Этот термин появился в конце XIX в. и характеризует область активной жизни, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В. И. Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов, включая человека, является геохимическим фактором планетарного масштаба и значения. Он выделял в биосфере косное (солнечная энергия, почва и т. д.) и биокосное (органическое) вещества.

       В/атмосфере наиболее заселен слой толщиной до 50 метров. Вынос микроорганизмов на высоты более 15 км возможен конвекционными потоками. За верхнюю границу биосферы условно принимается озоновый слой (около 10-15 км), выше него мощный поток ультрафиолетового излучения убивает, вероятно, все живое.

       Нижняя граница распространения живых организмов в литосфере определяется температурой. По современным представлениям, живые организмы могут жить при температурах до 100°С. Однако этот фактор может быть несущественным.

       Наиболее всеобъемлющей является биогеохимическая концепция биосферы, сформулированная В. И. Вернадским. В этой концепции основу биосферы как геологической оболочки составляет живое вещество, понимаемое как совокупность химических элементов, сосредоточенных во всех живых организмах, вместе взятых. 

       2.2. Основные биогеохимические принципы эволюции биосферы.

       Три основных биогеохимических принципа эволюции биосферы как целостного образования, сформулированы В. И. Вернадским.

       Первый принцип вытекает из факта устойчивости геологических процессов в ходе исторического времени и состоит в том, что биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному значению.

       Вовлекая неорганическое вещество в биотический круговорот, живое способно со временем проникать в ранее недоступные области и увеличивать перерабатывающую активность.

       Другим проявлением этого принципа можно считать постоянство среднего химического состава живого вещества с момента его формирования по настоящее время.

       Второй принцип связывает воедино эволюцию в целом биосферы и отдельных видов. Эволюция видов, приводящая в ходе геологического развития к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию составляющих биосферы. Этот принцип задает правило направленности эволюционных изменений органического мира. Появление человека есть закономерный процесс, так как выделение его из животного мира связано с резким ростом процесса переработки окружающей среды.

       Третий принцип основывается на геометрической прогрессии размножения живых организмов. В соответствии с ним в течение всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества.

       Вернадский предложил рассматривать скорость заселения земной поверхности тем или иным видом как характеристику его геохимической функции. Чем больше скорость заселения, тем сильнее вид перерабатывает окружающую среду. Учитывая исключительно высокие темпы размножения живых организмов, этот принцип можно интерпретировать как правило полной заселенности Земли в любое геологическое время.

       «Живое вещество производит на Земле непрерывную, не прекращающуюся ни на мгновение работу по переработке своего окружения, по его изменению» [2, с. 178].

       Эта функция живого вещества ставит биосферу в особое положение в структуре геологических оболочек. 

       3. Концепция самоорганизации. Синергетика и неравновесная термодинамика.

       3.1. Основные понятия и принципы синергетики

       Синергетика как понятие означает совместное, согласованное, кооперативное действие, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы. По словам ее создателя - немецкого физика Германа Хакена (род. в 1927 г.), который занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы - электронов, атомов, молекул, клеток, механических элементов, фотонов, органов животных и даже людей, это наука о самоорганизации, о превращении хаоса в порядок.

       Объект изучения синергетики независимо от его природы обязан удовлетворять следующим требованиям:

       1) открытость - обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой (реализуется т.н. процесс метаболизма);

       2) существенная неравновесность - при определенных значениях параметров, характеризующих систему, она переходит в критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости;

       3) выход из критического состояния, часто под воздействием малых флуктуации (случайное отклонение величины от ее среднего значения) осуществляется через скачок, т.е. резко, и система переходит в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

       Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими) вызывают очень сильное изменение состояния системы, ее переход в новое качество.

       Такие критические точки, вблизи которых система ведет себя неустойчиво и осуществляет смену режима развития или движения, называют точками бифуркации. Обнаружение феномена бифуркации ввело в физику элемент исторического подхода.

       Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения как вероятностных представлений, так и классического детерминизма (линейного и однозначного). Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль играют флуктуации, которые и определяют, какой из путей дальнейшего развития выберет система.

       Таким образом, теория самоорганизации - синергетика - заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, природы в целом. «В этом процессе необходимо выделять две фазы: плавную эволюцию, ход которой достаточно закономерен и жестко детерминирован, и скачки в точках бифуркации, протекающие случайным образом и поэтому случайно определяющие последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке». [3, с. 107]. 
 

       3.2. Понятие энтропиию

       В науке XVII-XIX вв. доминировала механистическая парадигма. В ней все процессы пытались объяснить путем сведения их к законам механического движения материальных частиц.

       Предполагалось, что их положение и скорость движения будут точно и однозначно определенными в любой момент в прошлом, настоящем и будущем, если заданы их начальное положение и скорость.

       Следовательно, в таком механическом описании время не играет никакой роли, поэтому его знак можно менять на обратный. Вследствие этого подобные процессы стали называть обратимыми.

       В некоторых случаях, когда речь идет о немногих и относительно изолированных друг от друга телах и системах, такой абстрактный подход может оказаться целесообразным и полезным. Однако в большинстве реальных случаев приходится учитывать изменение систем во времени, т.е. иметь дело с необратимыми процессами.

       Впервые такие процессы стали изучаться в термодинамике, которая начала исследовать принципиально отличные от механических тепловые явления.

       Тепло передается от нагретого тела к холодному, а не наоборот. С течением времени оно равномерно распределяется в теле или окружающем пространстве.