Что такое пространство и время?

Пространство – совокупность расстояний между объектами физической реальности, их размеров, а также их формы, места и движения. Рассмотрим все эти понятия по очереди [55].

Универсальной величиной, которая позволяет отличить один предмет от другого, является расстояние между ними. Понятие расстояние является узловым в понятии пространства. Оно вводится в нашем сознании путём следующей логической цепочки. Сначала мы воспринимаем его как наиболее общий признак, позволяющий отличить одни объекты от других. Оно может быть между элементарными частицами и между звездами, деревьями и кустарниками, между охотником и дичью, и т. д.

Второй базовой величиной, входящей в понятие пространство, является размер объекта: расстояние между его отдельными частями. Анализируя оба данных выше определения – расстояния и размера, замечаем, что они тесно переплелись между собой. Бессмысленно определять расстояния между объектами, не учитывая их размеры. С другой стороны, понимание сущности термина размер возможно лишь с учетом понятия расстояние.

Уточнить эти понятия позволяет третья пространственная характеристика - точка - материальный объект, не имеющий размеров, точнее с нулевыми размерами. Когда мы говорим о расстояниях между звездами или планетами, мы мысленно пренебрегаем их размерами. Введя понятие точки, мы можем дать пространственную характеристику любого объекта как совокупности – непрерывной или дискретной – точек. Ясно, что точка – не реальный объект, а некоторый идеализированный (т.е. придуманный человеком). Однако он позволяет уточнить понятие расстояние, как единственный признак, лежащий в основе отличия одной точки от другой. Соответственно, уточняется и понятие размера, как расстояния между точками, из которых составлен объект.

Определённые подобным образом точка, расстояние и размер лежат в фундаменте современного представления о пространстве. Однако характеризуют его не полностью.

Следующая группа признаков, определяющих пространство, объединяется общим названием форма. Её элементами являются линия (совокупность точек), поверхность (совокупность линий), область (совокупность поверхностей).

Ещё одной характеристикой пространства является движение (изменение расстояния между точками). Собственно, именно движение породило понятие пространства. Если бы не было движения, то не возник такой признак различия физических объектов, как расстояние. И вся изложенная выше цепочка рассуждений рассыпалась бы. Движение имеет несколько универсальных характеристик. Из них первая – направление, устанавливающее отличие одного вида изменения расстояния от другого. Количественной оценкой различия направлений друг от друга является угол.

Перечисленные выше признаки пространства позволяют определить еще одну его характеристику – место предмета, т. е. такую точку или область пространства, в которой он находится (рисунок 1.1). Место предмета характеризуется набором чисел – расстояний или углов относительно каких-либо заранее определенных объектов.

Рисунок 1.1

Определение места точки в

пространстве

Эти величины именуются координатами. В известном нам мире достаточно трех чисел – трех координат, – чтобы дать однозначную характеристику места.

Пусть в т. О располагается некоторый наблюдатель (размерами его пренебрегаем). Этот наблюдатель выбрал три точки пространства – А, В, С и установил каким-либо способом расстояния до них АО, ВО, СО ( вопрос о том, как и в каких единицах измеряются расстояния и все другие характеристики пространства - времени, материи и порядка, отложим на позже) и между ними – АВ, ВС, СА. Место произвольной точки R определяется совокупностью расстояний от этой точки до точек А, В, С – RА, RВ, RС. Эти три величины и являются координатами, а точки А, В, С – координатными или базисом. Весь вопрос состоит в том, зависит ли расстояние от R до О – RО – от величин RA, RB, RC, АВ, ВС, СА, АО, ВО, СО или нет. Если зависит, то

RO = f(RA, RB, RC), (1.1)

где функция f не зависит от выбора RA, RB, ВC, т.е.точки R.

Соотношение (1.1) для разных точек R₁, R₂, R₃, … позволяет, используя три координаты каждой из этих точек, вычислить расстояние между ними и другие геометрические характеристики фигур, образованных этими точками. Следовательно, соотношение (1.1) гарантирует трехмерность пространства. Если RO не зависит от RA, RB, RC,..., то наблюдатель О вынужден включить в базис еще и точку R и оценивать место новой точки S по расстояниям SA, SB, SC, SR, AO, BO, CO, RO, AB, BC, CA, AR, BR, CR. Если SO является однозначной функцией всех этих расстояний, то пространство четырехмерное. Если же нет, то мы приходим к пяти-, шести-, и далее n -мерному пространству. Но это только в теории. Практически же не обнаружено никаких признаков того, что образующее физический мир пространство не трехмерно. Перечисленные выше признаки определяют понятие пространство.

Есть ещё одно понятие, которое связывают с пространством – вакуум. Вакуум, по определению, это такая часть физической реальности, которая не заполнена материей. Однако, поскольку в понятие материи включаются физические поля, то следует признать, что вакуума не существует. Правда, в некоторых разделах физики, например, в квантовой электродинамике [19], под вакуумом понимают часть объективной реальности, лишённой вещества, т.е. элементарных частиц, точнее частиц, внесённых в реестр элементарных. Но и здесь оказывается не всё так просто – даже в этом условном вакууме оказываются так называемые виртуальные частицы. Исходя из сказанного, можно без нарушения строгости изложения исключить понятие вакуум из определения пространства.

Время является универсальным признаком движения. Оно обнаруживается в природе благодаря тому, что существуют повторяющиеся движения, т.е. такие движения, при которых расстояние между двумя объектами, изменяясь, периодически вновь и вновь становятся одинаковыми. Так, Луна, вращаясь вокруг Земли, то приближается к Солнцу, то удаляется от него. Земля двигается относительно Солнца так, что её Северный полюс (и, соответственно, Южный) то приближается к светилу, то удаляется. Кроме этого, каждая точка на поверхности Земли также совершает повторяющееся движение – приближается и удаляется от Солнца.

Такое же движение, при котором объект возвращается в исходное место, наблюдается у маятника, стрелок часов, электрических зарядов в резонансном контуре, молекул поверхности воды при распространении вдоль неё волн, молекул газа при распространении в нем звука и т.п. Обобщёно такие повторяющиеся движения именуются часами. Сопоставление любого движения с часами и характеризует время.

Таким образом, время можно определить, как универсальный признак движения, выявляемый благодаря существованию повторяющихся видов движения (часов) и характеризующийся тактом, моментом, интервалом, необратимостью, непрерывностью, монотонностью и однородностью.

Такт или период – это такой участок (этап) движения часов, при котором они только дважды – в начале и в конце – находятся в одном и том же месте. Конец одного периода совпадает с началом другого и так далее до бесконечности. По сути дела, мы оцениваем время любого процесса по числу тактов какого-либо повторяющегося процесса.

Еще одно понятие – момент – временная точка. Введение его позволило количественно сравнивать временные характеристики различных объектов – интервалы времени.

И, наконец, последняя группа признаков, характеризующих время – непрерывность, монотонность (время всегда возрастает, никогда не останавливается и не течет вспять), одномерность.

Все эти признаки постулируются, характеризуя в совокупности время. Имеется, правда, два признака, которые подверглись в двадцатом веке серьезному изменению и анализу. Первый из них – связь с пространством, т. е. зависимость от перемещения одного объекта относительно другого или просто от положения в пространстве. Если со времен Ньютона считали, что время – абсолютная величина – и течет одинаково на Земле, Солнце, других космических объектах, то после разработки Эйнштейном теории относительности было установлено, что время течет по-разному на разных объектах. Для пояснения этого обстоятельства снова вернёмся к рисунку В.3. Так вот, согласно теории относительности, величина RO является функцией не трёх, а четырёх величин:

RO = ,

где – различие в тактах времени точек R и O. В свою очередь, величина зависит от RO, RA, RB, RC и их производных. Таким образом, пространство и время следует рассматривать как единый компонент физической реальности – пространственно- временной континиум [17, 21, 26].

Второй признак – необратимость. Это значит, что если большинство процессов в природе отснять на кино- или видеопленку, а затем запустить их на экране в обратном направлении, то полученная картина будет противоречить физическим законам. Обоснование этого признака будет дано ниже.

Дата добавления: 2015-08-27