Пространство и время - основные формы существования материи

       Так, например, открытый много  лет назад закон Бойля-Мариотта  может быть при создании условий,  аналогичных тем, при которых  он был открыт в прошлом,  вновь подтвержден. Однородность пространства состоит в том, что ход физических процессов в различных участках пространства одинаков. Это значит, что в одних и тех же условиях эксперимент в Москве. Киеве, Ташкенте, Бостоне дает один и тот же результат.

     Изотропность пространства означает, что в нем нет избранных направлений.

     Если  бы эти свойства симметрии пространства и времени отсутствовали, то познание действительности было бы чрезвычайно  затруднено.

     В физике уже давно пользуются законами сохранения и превращения энергии, импульса, момента количества движения. Они были установлены опытным  путем и играют огромную роль в  познании материальной действительности.

     В связи с тем, что законы сохранения и прежде всего законы сохранения классической физики (массы, энергии, импульса, момента количества движения) отражают несотворимость и неуничтожимость материи и движения, они должны быть как-то связаны со свойствами пространства и времени. И действительно, почти 50 лет назад немецкий математик Эмми Нетер показала, что эти законы связаны с симметрией пространства, а также со свойствами времени. Так, закон сохранения энергии связан с однородностью времени, закон сохранения импульса-с однородностью пространства. Эти свойства пространства и времени отражаются в принципах симметрии.

     До  появления квантовой механики принципы симметрии в физике не приобрели  большого распространения, и их значение многими учеными не было по достоинству  оценено. Однако в ходе развития физики, особенно физики  «элементарных» частиц, возрастает и значение принципов  симметрии в познании природы.

     Сущность  вышеупомянутой теоремы Э. Нетер  состоит в том, что «всякому непрерывному преобразованию координат, обращающему  в нуль вариацию действия, при которых  задан также закон преобразования функций поля, соответствует определенный инвариант, т.е. сохраняющаяся координация функций поля и их производных».

     Это означает, что наличие определенных законов сохранения у материальной системы связано со свойствами материи, движением, пространством, свойствами симметрии, так что преобразование координат, не нарушающее симметрии  системы, оставляет неизменной и  функцию Лагранжа, а из этого факта  следует существование определенного  интеграла движения. В применении к классической механике это приводит к следующим выводам: если материальная система изолирована или находится  в постоянных внешних условиях, то функция Лагранжа не зависит явно от времени; значит, она не изменится при переходе от одного момента времени к любому следующему; как следствие инвариантности функций Лагранжа по отношению к бесконечно малому изменению времени получаем сохранение полной энергии системы в этом случае.

     Аналогичным образом бесконечно малое смещение замкнутой системы как целого не вносит никаких физических изменений  в ее свойства, откуда вытекает сохранение импульса. Наконец, закон сохранения момента замкнутой системы вытекает из инвариантности ее функций состояния относительно бесконечно малых поворотов.

     Таким образом, формально-математические операции, связанные со свойствами симметрии, непрерывными преобразованиями функции  поля, являются отражением объективных свойств материи, движения, пространства-времени и наиболее общих законов, законов сохранения, выражающих в своей совокупности неуничтожимость материи и ее свойств. Обнаруживается органическая связь между свойствами симметрии пространственно-временной области, соответствующей данной системе, и существованием инвариантных характеристик у этой материальной  системы.

     В реальном мире свойства пространства-времени  определяются, несомненно, свойствами движущейся материи, и потому здесь  не существует пространства в строгом  смысле однородного и изотропного; в больших космических масштабах  пространство-время «искривляется» благодаря наличию гравитирующих  масс, его свойства зависят также  и от космических электромагнитных полей, образованных движением заряженных частиц; в микроскопических масштабах  пространство-время, судя по некоторым  данным, также не является однородным и изотропным.

     Тем не менее абстрактное понятие  однородного и изотропного пространства-времени  во многих случаях можно считать  очень хорошим приближением к  действительности, и тогда поведение  материальных объектов, находящихся  в таких областях пространства и  отрезках времени, будет адекватно  описываться с помощью соответствующих  законов сохранения.

     Понятие об однородности и изотропности пространства есть только часть абсолютной истины, ибо свойства реального пространства и времени более многогранны, но для тех областей пространства, с которыми мы имеем дело в физике макромира, а также и в микромире  положения об однородности пространства-времени  с большой степенью точности подтверждаются экспериментально. Совершенно ясно, что  содержание законов сохранения и  превращения по мере развития науки  будет углубляться и расширяться, как и содержание тех понятий, о которых идет речь в законах  сохранения, т.е. будет проходить  диалектический процесс познания, увеличения суммы относительных истин, ведущий  нас к познанию абсолютной истины.

     Создание  теории микропроцессов проходило на базе новых экспериментальных данных и основных законов, прежде всего  законов сохранения классической физики. Поскольку законы сохранения (массы, энергии, импульса, момента количества движения) неразрывно связаны с весьма общими свойствами пространства и времени, эти законы сохранения универсальны, они являются основными законами физики и действуют во всех разделах.

     Теория  относительности  А.Эйнштейна. 

     Предпосылки создания теории относительности.

     Диалектический  характер действительности, материальное единство мира подтвердила теория относительности  Эйнштейна, которая явилась важной ступенью в науке. Теорию относительности  по праву можно считать наиболее значительным естественнонаучным открытием, подтвердившем диалектический материализм, в том числе и учение о материальном единстве мира. Известно, что мир, описанный  классической физикой, покоился в основном на четырех таких фундаментальных  понятиях, как время, пространство, материя и движение. Все они  рассматривались как абсолютные, самостоятельные, однородные, друг от друга независимые сущности. Считалось, что пространство не связано с  материей, что это своего рода «пустое  вместилище», наполненное материальными  телами. Согласно классической физике, оно абсолютно, непрерывно, одинаково  во всех точках и направлениях. «Абсолютное пространство, – писал Ньютон, – по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным».

     Время представлялось Ньютону равномерной, чистой длительностью, существующей также  независимо от материальной действительности, не связанной с протекающими в  мире событиями. Оно абсолютно, одномерно, непрерывно, однородно во всей Вселенной. «Абсолютное, истинное математическое время, – писал Ньютон, – само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью». Кроме того, время и пространство считались независимыми не только от механических процессов и самостоятельными по отношению к движущейся материи, но и независимыми друг от друга.

     Как известно, основу классической физики составило учение Ньютона. Оно было незыблемым еще и в начале ХХ в. Как справедливо пишет Р. Я. Штейнман, «концепция Ньютона настолько глубоко  проникла в научное мышление, что  даже после появления теории относительности, явно с ней несовместимой, ньютоновы  представления о существовании  пустого пространства и времени… еще долго сохранялись в физике…».

     Это, однако, не означает, что не существовало другого взгляды на атрибуты материи. Известно, что уже Лейбниц (хотя и  с идеалистических позиций) не разделял метафизического воззрения Ньютона в понимании сущности пространства и времени как самостоятельных начал бытия, существующих наряду с материей и независимо от нее.

     Эйнштейн  же поставил перед собой задачу найти  такие всеобщие принципы, которые  послужили бы основой для объединения  двух областей физики. Но для этого  надо было изменить некоторые общепринятые, считавшиеся незыблемыми понятия  классической физики, и в первую очередь понятия времени, пространства, движения. Эйнштейн писал : «…если мы будем  стремиться к более глубокому  пониманию взаимосвязей, то мы должны будем заменить эти понятия другими, стоящими дальше от сферы непосредственного  опыта».

     Основой для объединенной теории, считал Эйнштейн, могут служить такие принципы или законы природы, как постоянство  скорости распространения света  и принцип относительности, обобщенный им на все явления природы.

     Анализируя  названные принципы, можно прийти к выводу, что они противоречат друг другу. Казался неизбежным отказ  либо от принципа постоянства скорости света (но он был подтвержден экспериментально с помощью опыта Майкельсона), либо от принципа относительности, который также согласовывался и с теорией, и с практикой. Следовательно, эти принципы отбросить нельзя. Эйнштейн показал, что если придерживаться ньютоновского понимания времени и пространства, то нам будет казаться, что принципы несовместимы. Следовательно, их объективность (в которой физики не сомневались) означает отказ от ньютоновского представления о пространстве и времени.

     Эйнштейн  подверг радикальному пересмотру прежние  понятия времени и пространства. Прежде всего он пришел к выводу, что нельзя распространять на все  движущиеся системы, на всю Вселенную  такие понятия классической физики, как «одновременность», «момент  времени», «раньше», «позже», а также  абсолютизировать пространственные расстояния между двумя точками, хотя бы уже  потому, что скорость света распространяется не мгновенно (как думал Ньютон), а с конечной скоростью. В этом легко убедится, если рассмотреть  следующий пример.

     Предположим, что в двух точках на Земле А и В происходят вспышки электрических лампочек. Будут ли казаться эти события (вспышки) одновременными наблюдателям, находящемся в неподвижной точке Земли и в движущемся поезде? Исследователю, находящемуся в неподвижной точке Земли, вспышки будут казаться одновременными тогда, когда луч света от лампочек А и В будет встречаться в средней точке С расстояния АВ. Но тому, кто будет проезжать мимо нас (в поезде) со  

          V

               А^’           С^’        В^’

         А            С        В

скоростью V в направлении А¹В¹, покажется что лампочка в точке В вспыхнула раньше, чем в А, так как наблюдатель поезда, находящийся в точке С, движется навстречу световому лучу, распространяющемуся из точки В, и, наоборот, как бы убегает от луча, исходящего от точки А. Таким образом, наблюдатель в поезде скажет, что сигналы на Земле были неодновременны. Кто же прав? Правы оба, доказывает Эйнштейн, ибо события, одновременные относительно Земли, будут неодновременными относительно поезда. Каждое тело отсчета имеет свое собственное время. Причем течение времени нужно понимать относительно какой-либо материальной системы. Безотносительного, абсолютного времени, якобы текущего во всей Вселенной в одинаковом ритме, как это предполагал Ньютон, не существует. Величина промежутка времени между двумя событиями, таким образом, зависит от движения данной материальной системы (в данном случае поезда). Время оказывается связанным с движением.

     Как мы видим, Эйнштейном были опровергнуты две следующие гипотезы классической физики, на которых держались ньютоновские представления об абсолютном времени  и пространстве: а) промежуток времени  между двумя событиями не зависит  от состояния движения тела отсчета; б) расстояние между двумя точками  твердого тела не зависит от состояния  движения тела отсчета.

     Эти примеры еще больше убедили Эйнштейна  в необходимости коренным образом  пересмотреть метафизические представления  об атрибутах материи. Получалось, что  ряд понятий, непосредственно связанных  с атрибутами материи – «одновременность», «раньше», «позже», понятие о пространственном расстоянии между двумя точками, – нельзя  абсолютизировать. А  это противоречило прежним представлениям о времени и пространстве. Напрашивался вывод, что пространство и время  нельзя рассматривать сами по себе, они оказались зависимыми от других свойств материи. 

     Специальная теория относительности.

     Эйнштейн  пришел к выводу, что следует пересмотреть теорию преобразования времени и  координат, так как именно она  являлась основой, на которой покоилось  метафизическое учение об атрибутах  материи. В самом деле, согласно учению классической физики, переход от одной  инерциальной системы координат  к другой осуществляется с помощью  следующих преобразований Галилея: x¹=x-vt; y¹=y; z¹=z; t¹=t .Возьмем, например, уравнение t¹=t . Оно выражает ньютоновское абсолютное время. Время здесь не связано ни с пространством, ни с материей. Для любой системы координат, для всей Вселенной оно неизменно.