О времени и пространстве

Еще со времен Древней Греции и Индии проблема времени и пространства занимала важное место в истории философии. Например, Аристотель отмечал два таких свойства времени, как зависимость изучения хода времени от движения и изменения всего сущего и, с другой стороны, его способность пронизывать движение и развитие. Из истории философии широко известен тот факт, что Лейбниц взял первое положение Аристотеля, а Ньютон — второе. Кант под влиянием теории Ньютона об абсолютном времени считал, что время — это форма сознания, присущая человеку априори.

Вместе с тем пространство толковалось философом Древней Греции Демокритом как пустота (ничто); Аристотель же отрицал это положение. Кант в свою очередь считал и время и пространство априорными категориями сознания.

Из естественных наук именно физика, взяв за основу общие понятия времени и пространства, изучала материю и движение. Так называемая ньютоновская физика развивалась на основе признания абсолютного характера времени и пространства.

Эти представления об абсолютном времени и пространстве, а также основывающееся на них кантовское толкование времени и пространства в начале XX века сильно пошатнулись под действием теории относительности.

Под влиянием теории относительности исчезло представление о существующем независимо от времени трехмерном пространстве и текущем независимо от пространства одномерном времени. Они были слиты воедино. Стало ясно, что все природные явления следует рассматривать в рамках «четырехмерного пространства», объединившего в себе одномерное время и трехмерное пространство.

Более того, в общей теории относительности были рассмотрены отношения между временем, пространством и материей, и выяснилось, что характер времени и пространства определяется формой существования материи. Таким образом, теория относительности расширила представление о теории времени и пространства и дала важный импульс развитию теории древних ученых.

Если обратиться к постановке этой проблемы буддийским учением, то оно проповедует безграничное время и пространство, но из текстов сутр ясно, что буддизм стоит не на позициях ньютоновской механики, в которой абсолютные время и пространство существуют независимо от всего сущего, а на позициях теории «пространства и времени», которое неотделимо от всей Вселенной. А именно: все сущее слито воедино с временем и пространством и развивается в соответствии с буддийским законом кармы.

Как вы, уважаемый ректор, понимаете суть теории времени и пространства?

Ответ на вопрос, что есть пространство и время, каковы их свойства, имеет исключительно важное значение для самых различных сфер человеческой деятельности. Расширение представлений об этих понятиях шло параллельно и во взаимосвязи с развитием знаний человека о природе. Особую роль в этом процессе сыграла физика. Физика во взаимодействии с другими науками, в первую очередь с материалистической философией, глубже раскрывает сущность пространства-времени, и, как следствие этого, пространственно-временные характеристики подвергаются кардинальному пересмотру и уточнению на каждом существенно новом этапе развития физических знаний.

Один из таких характерных этапов связан с механикой Ньютона, т. е. периодом, когда началось бурное развитие механики как науки о движении тел. Механика конца XVII века была экспериментальной наукой. Ею устанавливались эмпирические соотношения между кинематическими и дина-мистическими характеристиками движущихся тел и действующими на них силами. Ньютон после обобщения большого числа экспериментальных данных в 1687 году сформулировал основные законы механики. Наряду с этим Ньютон приступил к изучению категорий пространства и времени. Он разделил время и пространство на абсолютное и относительное. Абсолютное, по Ньютону, существует независимо от чего-либо, безотносительно к чему-либо; абсолютное время или его длительность протекает равномерно; что касается абсолютного пространства, то оно постоянно однородно и неподвижно. Абсолютное время и абсолютное пространство недоступны человеческим чувствам. Доступны чувствам и поддаются изменениям относительное время и пространство. Относительное время — мера продолжительности, употребляемая в нашей повседневной жизни. Это — час, день, месяц, год и т. д. Относительное пространство — это ограниченная часть абсолютного пространства. Это мера, доступная чувствам человека по его положению относительно некоторых тел. В обыденной жизни его принимают за пространство неподвижное. Здесь необходимо подчеркнуть, что представления об евклидовой геометрии трехмерного пространства были явным образом заложены в механику Ньютона как следствие используемых в ней правил сложения векторов и определения величины расстояния между двумя точками. И действительно, проверка на опыте основных принципов механики и сравнение ее предсказаний с результатами экспериментов подтверждали с большой точностью это предположение. Более того, как показывает анализ, даже не имея никаких представлений о пространстве и времени, использованных Ньютоном при построении его механики, их свойства можно установить, исследуя, как говорят, группу преобразований, не изменяющих вид уравнений Ньютона. Этот анализ показывает, что пространство однородно.

Далее, пространство в механике Ньютона изотропно, т. е. в нем отсутствуют физически выделенные направления.

Физики долгое время придерживались взглядов Ньютона на пространство и время; молчаливо предполагалось, что свойства физического пространства являются свойствами евклидова пространства, подчиняющегося законам единственно известной в то время геометрии Евклида.

Впервые по-новому вопрос о свойствах физического пространства был поставлен в связи с открытием в 1826 году великим русским ученым Н.И. Лобачевским неевклидовой геометрии (так называемой геометрии постоянной отрицательной кривизны). Лобачевский полагал, что свойства пространства определяются свойствами материи и ее движения.

После открытия неевклидовой геометрии сразу же возник вопрос: не противоречит ли геометрия Лобачевского механике? Ведь если бы удалось доказать невозможность построения механики в неевклидовом пространстве, то тем самым была бы опровергнута мысль о возможности реального неевклидова пространства. Но результаты, полученные в этом направлении, показали, что в неевклидовом пространстве может быть построена механика. Однако открытие неевклидовой геометрии в то время, вплоть до появления общей теории относительности Эйнштейна, серьезно не затронуло физику. Для физиков пространство оставалось евклидовым и независимым от времени.

Сюрприз преподнесла электродинамика. После появления электродинамики Фарадея—Максвелла стало ясно, что свойства пространства и времени, вытекающие из механики Ньютона, не совпадают с их свойствами, вытекающими из электродинамики. В результате интенсивных исследований было установлено, что электродинамика правильно отражает свойства пространства и времени, а механика Ньютона имеет приближенный характер и должна быть заменена новой, релятивистской механикой. Все это, как известно, привело к открытию в 1904 году преобразований Лоренца и созданию специальной теории относительности. Немного спустя, в 1908 году, в работе немецкого ученого Минковского было показано, что электродинамика Максвелла—Фарадея в соединении с принципом относительности привела к открытию псевдоевклидовой геометрии пространства-времени мира. Именно Минковский первым осознал и отчетливо показал в своей работе, что пространство и время вместе составляют единое целое — пространство-время — и геометрия этого пространства-времени псевдоевклидова.

Отсюда непосредственно следует, что суть специальной теории относительности заключается в том, что все физические процессы протекают в пространстве-времени, геометрия которого псевдоевклидова. Последующее изучение сильных и слабых электромагнитных взаимодействий с большой убедительностью подтвердило справедливость этих представлений. Новые же представления о пространстве-времени в свою очередь оказали большое влияние на развитие различных областей физики. В частности, без использования уравнений и соотношений, вытекающих из специальной теории относительности, были бы немыслимыми успехи в овладении внутриядерной энергией, в развитии ускорительной техники.

Открытие псевдоевклидовой геометрии физического пространства-времени позволяет уже в наши дни по-новому взглянуть на такие, казалось бы, завершенные и незыблемые принципы, как, например, принцип относительности.

Как показано в работах физиков, утверждение о том, что все физические явления происходят в пространстве-времени, геометрия которого псевдоевклидова, оказалось гораздо богаче обычного принципа относительности, применяемого только к классу инерциальных систем отсчета. Это утверждение позволяет сформулировать обобщенный принцип относительности, справедливый не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах отсчета: какую бы физическую систему отсчета мы ни избрали (инерциальную или неинерциальную), всегда можно указать бесконечную совокупность других систем отсчета, таких, в которых все физические явления протекают одинаково с исходной системой отсчета, так что мы не имеем и не можем иметь никаких экспериментальных возможностей установить, в какой именно системе отсчета из этой бесконечной совокупности мы находимся.

Таким образом, с точки зрения современной науки пространство и время, как форма существования материи, представляет собой единое целое — четырехмерное пространство-время — и геометрия этого единого пространства-времени псевдоевклидова. Конечно, по мере углубления наших знаний о свойствах материи еще более будут углубляться наши представления о структуре пространства-времени.