Пространство временной континуум

Пространственно-временной континуум.

Понятие пространственно-временного континуума

В классической науке пространство и время рассматривались как независимые друг от друга и от тех процессов, которые в них происходят. Благодаря созданию теории относительности было выяснено, что в действительности пространство и время – это стороны одного и того же явления.

Поэтому было введено понятие пространственно-временного континуума. Оказалось, что пространство и время определяются теми процессами, событиями, которые в них возникают и существуют. Поэтому самое простое представление о реальности – представление о том, что мир есть множество (континуум) событий, которое имеет четыре измерения: три из них пространственные, а четвертое – время.

Философию, прежде всего, интересует вопрос об отношении времени и пространства к материи, т. е. являются ли время и пространство реальными или это чистые абстракции. Философы-идеалисты отрицают зависимость времени и пространства от материи и рассматривают их то как формы индивидуального сознания (Беркли, Юм, Мах), то как априорные формы чувственного созерцания (Кант), то как категории абсолютного духа (Гегель). Материализм подчеркивает объективный характер времени и пространства. В том, что время и пространство неотделимы от материи, проявляется их универсальность и всеобщность. Пространство выражает порядок расположения одновременно сосуществующих объектов, время же – последовательность существования сменяющих друг друга явлений. Время необратимо, т. е. всякий материальный процесс развивается в одном направлении – от прошлого к будущему.

Общее понятие пространства и времени

Любое движение предполагает так или иначе понимаемое изменение положения в пространстве, осуществляющееся в так или иначе понимаемом времени. Несмотря на кажущуюся очевидность понятий пространства, и времени, они принадлежат к числу не только фундаментальных, но и одних из самых сложных характеристик материи. Наука ХХ в. напоминала данные понятия столь неоднозначным содержанием, что они нередко становились предметом самых ожесточенных философских дискуссий. В чем же причина и смысл такого пристального внимания к этим категориям?

Самое общее понимание пространства и времени опирается на наш непосредственный эмпирический опыт. Понятие пространства возникает как из характеристики отдельно взятого тела, всегда имеющего протяженность, так из факта внеположности множества сосуществующих объектов, имеющих разное пространственное положение. Существующее определение пространства таково: оно есть форма бытия материи, характеризуемая такими свойствами, как протяженность, структурность сосуществования и взаимодействия. Понятие времени также возникает как из сравнения различных состояний одного и того же объекта, который в результате длительности своего существования неизбежно меняет свои свойства, так из факта сменяющейся последовательности разных объектов в одном и том же месте. Время, таким образом, тоже есть форма бытия материи, характеризуемая такими свойствами изменения и развития систем, как длительность, последовательность смены состояний. Понятие пространства и времени относительны: в понятие пространства отражается координация различных внеположных друг другу объектов в один и тот же момент времени, а в понятии времени отражается координация сменяющих друг друга объектов в одном и том же месте пространства.

Многомерность пространства

Теория относительности пользуется понятием единого пространственно-временного континуума, или, как иногда говорят, четырехмерного пространства, в котором к трем привычным пространственным параметрам добавляется еще и время. Это делается для того, чтобы более четко, чем это удается осуществить в обычном трехмерном пространстве, зафиксировать какой-либо материальный объект. Сам А. Эйнштейн говорил, что его удивляет та настороженность, с которой порой относятся к четырехмерному пространству, хотя оно говорит всего лишь о том, что тело с такими-то и такими-то тремя пространственными координатами находилось там именно в данный момент времени (четвертое измерение).

Другое дело многомерное пространство Гильберта. Что же это за многомерное пространство, какой физический и философский смысл имеет это понятие? Оно призвано отразить наличие у исследуемого объекта каких-либо совсем не пространственных свойств, которые только выражаются как «пространственно-подобные» с помощью различных математических операций. Так, если к трем привычным пространственным координатам объекта добавляются еще три координаты, выражающие, например, три компонента импульса этого же объекта, то для обозначения совокупности всех этих данных говорят о шестимерном фазовом пространстве, хотя собственно пространственных координат здесь, как обычно, три. Понятие шестимерного фазового пространства, таким образом, есть математическая абстракция, и оно не претендует на замену понятия трехмерного пространства. Многомерное пространство не фикция, но и не пространство в прямом смысле этого слова. Использование метода многомерности пространства является одним из приемов квантовой физики, вынужденной описывать «недоступные» чувственному восприятию, а потому и наглядному представлению явления микромира. Выражая собой конкретные физические явления микромира с помощью понятий, выработанных в классической физике макромира, многомерные пространства являются правомерной научной абстракцией, имеющей и физический и математический смысл. Здесь нет ничего сверхъестественного или бессодержательного.

Пространство-время — физическая модель, дополняющая пространство временным измерением и, таким образом, создающая новую теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом. В соответствии с теорией относительности, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение.

Количество измерений, необходимых для описания Вселенной, окончательно не определено. Теория струн, например, требовала наличия 10, а теперь даже 11 измерений (в рамках М-теории). Предполагается, что дополнительные (ненаблюдаемые) 6 или 7 измерений свёрнуты до планковских размеров, так что экспериментально они пока не могут быть обнаружены.

Ожидается, тем не менее, что эти измерения каким-то образом проявляют себя в макроскопическом масштабе.

Модель естественного объединения пространства и времени

Первый вариант модели естественного объединения пространства и времени, пространство Минковского, был создан Германом Минковским в 1908 году на основе специальной теории относительности Эйнштейна.

Несмотря на то, что, на первый взгляд, временное измерение абстрактно, понятие времени как измерения вполне конкретно. Когда мы хотим с кем-то встретиться, мы говорим, где «в пространстве» мы рассчитываем встретиться с ним, например, на 9-м этаже здания на углу Верхней Полевой улицы и шоссе Энтузиастов. В этом описании содержатся три элемента информации (9-й этаж, Верхняя полевая улица, шоссе Энтузиастов), описывающих конкретное место в трёх пространственных измерениях Вселенной. Не менее важным является указание времени встречи, например, в 3 часа пополудни. Эта часть информации указывает, где «во времени» состоится встреча. Следовательно, события описываются четырьмя элементами информации: тремя, указывающими расположение в пространстве, и одним, указывающим положение во времени. Таким образом характеризуется положение события в пространстве и времени, то есть в пространстве-времени. В этом смысле время представляет собой ещё одно измерение.

Пусть мы имеем плоскость или, если вы предпочитаете что-либо более конкретное, поверхность прямоугольного стола. Положение точки на этом столе можно охарактеризовать двумя числами, а не одним, как раньше. Два числа суть расстояния от двух перпендикулярных краев стола. Не одно число, а пара чисел соответствует каждой точке плоскости; каждой паре чисел соответствует определенная точка. Другими словами: плоскость есть двухмерный континуум. Тогда существуют точки, сколь угодно близкие к данной точке плоскости. Две отдаленные точки могут быть связаны кривой, разделенной на отрезки, сколь угодно малые. Таким образом, произвольная малость отрезков, последовательно укладывающихся на кривой, связывающей две отдаленные точки, каждая из которых может быть определена двумя числами, снова является характеристикой двухмерного континуума.

Еще один пример. Представим себе, что вы хотите в качестве системы координат рассматривать свою комнату. Это означает, что вы хотите любое положение тела определить относительно стен комнаты. Положение кончика лампы, если она в покое, может быть описано тремя числами: два из них определяют расстояние от двух перпендикулярных стен, а третье — расстояние от пола или потолка. Каждой точке пространства соответствуют три определенных числа; каждым трем числам соответствует определенная точка в пространстве. Это выражается предложением: наше пространство есть трехмерный континуум. Существуют точки, весьма близкие к каждой данной точке пространства. И опять произвольная малость отрезков линии, связывающей отдаленные точки, каждая из которых представлена тремя числами, есть характеристика трехмерного континуума.

Все, что мы только что сказали, нетрудно обобщить для случая движения, не ограниченного прямой линией. В самом деле, для описания событий в природе нужно применить не два, а четыре числа. Физическое пространство, постигаемое через объекты и их движения, имеет три измерения, и положения объектов характеризуются тремя числами. Момент события есть четвертое число. Каждому событию соответствует четыре определенных числа; каким-либо четырем числам соответствует определенное событие. Поэтому: мир событий образует четырехмерный континуум. В этом нет ничего мистического, и последнее предложение одинаково справедливо и для классической физики, и для теории относительности. И опять различие обнаруживается лишь тогда, когда рассматриваются две системы координат, движущиеся друг относительно друга. Пусть движется комната, а наблюдатели внутри и вне ее определяют пространственно-временные координаты одних и тех же событий. Сторонник классической физики разобьет четырехмерный континуум на трехмерное пространство и одномерный временной континуум. Старый физик заботится только о преобразовании пространства, так как время для него абсолютно. Он находит разбиение четырехмерного мирового континуума на пространство и время естественным и удобным. Но с точки зрения теории относительности время, так же как и пространство, изменяется при переходе от одной системы координат к другой, и преобразования Лоренца рассматривают трансформационные свойства четырехмерного пространственно-временного континуума —нашего четырехмерного мира событий.

Мир событий может быть описан динамически с помощью картины, изменяющейся во времени и набросанной на фоне трехмерного пространства. Но он может быть также описан посредством статической картины, набросанной на фоне четырехмерного пространственно-временного континуума. С точки зрения классической физики обе картины, динамическая и статическая, — равноценны. Но с точки зрения теории относительности статическая картина более удобна и более объективна.

Даже в теории относительности мы можем еще употреблять динамическую картину, если мы ее предпочитаем. Но мы должны помнить, что это деление на время и пространство не имеет объективного смысла, так как время больше не является «абсолютным». Дальше мы еще будем пользоваться «динамическим», а не «статическим» языком, но при этом всегда будем учитывать его ограниченность.

Пространство и время – всеобщие формы, в которых движется все сущее. В мире все простирается и все длится. Глубочайшей философской проблемой является сущность времени и пространства и их соотношение с движением и материей. Созданная гением Альберта Эйнштейна и усилиями многих других выдающихся ученых теория относительности дала наиболее фундаментальный на сегодняшний день физический анализ понятий пространства и времени. Согласно этой теории, пространство и время существуют не по отдельности друг от друга, а образуют единое четырехмерное многообразие. Тайна трехмерности пространства (или какой-то иной «-мерности», но одной единственной) не разрешена современной наукой. Как философская проблема она сливается с глубочайшим вопросом о единственности нашего мира. 33.

Что такое пространственно-временной континуум

Пространственно-временной континуум, или чаще употребляемый в «неофициальной» обстановке термин пространство-время – это физическая модель, описывающая понятие о среде, в которой пребывают все объекты изучаемого физикой мира. Это теоретическая конструкция, которая не является исчерпывающим описанием действительности, но, по возможности, приближается к ней наиболее полно. В настоящее время общепринятой теорией пространственно-временного континуума является описание Эйнштейна, оно обусловлено теорией относительности. Как говорил сам Альберт Эйнштейн, наиболее правильное описание пространства-времени должно быть «так просто, как возможно, но не проще этого». Современная теория пространства-времени имеет 4 измерения, 3 из которых пространственные и одно временное. При этом три координаты пространства и одна времени равноправны, и только от наблюдателя зависит, какая из них будет принята за систему отсчета. То есть, они взаимозаменяемы. Пространство-время имеет динамическую природу, а инструмент, с помощью которого измерения взаимодействуют с физическими телами и объектами – это гравитация. Согласно положениям современной физики, пространственно-временной континуум – это непрерывное многообразие, оно не плоское, но может изменять кривизну динамически, в зависимости от условий. Для многих шокирующим фактом является то, что время ставится в этой теории наравне с остальными координатами. Причина этого в том, что теория относительности основывается на том, что время зависит от скорости наблюдателя, который находится в точке отсчета. Время вовсе не является независимым от измерений пространства, оно неотделимо от них. Наиболее привычной системой является четырехмерное пространство-время, оно оказывается достаточным для решения многих задач. Но в теориях описания Вселенной измерений гораздо больше. Например, бозонный вариант теории суперструн (наиболее старый из ее вариантов) требовал наличия 27 измерений. Сегодня эта теория усовершенствована, количество измерений сведено к 10. Ученые надеются, что удастся компактифицировать теорию до наблюдаемых 4 измерений. Возможно, что остальные дополнительные измерения просто свернуты и имеют панковские размеры. Но в этом случае они все же должны как-то проявляться. Этот вопрос активно изучается физиками в настоящее время.