Пространство и время в физике
Мир, окружающий нас, красочен и многообразен. Описывать его можно разными способами. И физика – один из способов описания мира, важнейшим элементом которого является математика. Физика как наука в конечном свете дает математическое описание реальности, в рамках которого обнаруживаются фундаментальные законы, управляющие поведением вещества.
Особенностью физики является то, что она оперирует понятиями, которым соответствует измеримые, характеризуемые числом величины. Многие важные понятия обыденного языка (например, ум, справедливость), а также и более утонченные философские категории не таковы. Это существенное самоограничение, но благодаря ему физические высказывания приобретают четкий и однозначный смысл и, что не менее важно, могут быть подвергнуты экспериментальной проверке. Измеримые величины называются наблюдаемыми, и утверждения относительно наблюдаемых величин проверяемы. Физика старается избегать высказываний, которые сами либо выводимые из них следствия не могут быть в принципе проверены и либо подтверждены, либо опровергнуты (важна именно принципиальная возможность проверки, независимо от того, осуществима ли она имеющимися в данный момент средствами).
Понятия «пространство» и «время» - это одновременно и понятия обыденного языка, и важные философские категории, но также и исходные фундаментальные понятия физики. Окружающий нас мир – это множество событий, происходящих в пространстве и времени.
Мы живем в изменяющемся мире. Понятие «изменение» тесно связано с понятием «время». Когда говорят об изменении чего-либо, имеют в виду изменение во времени. Но что такое время? «Что обыкновенно бывает у нас предметом разговора, как не время? И мы, конечно, понимаем, когда говорим или слышим о нем. Что же такое, еще раз повторяю, что такое время? Пока никто меня о том не спрашивает, я понимаю, нисколько не затрудняясь, но, как скоро хочу дать ответ об этом, я становлюсь совершенно в тупик». Так писал св. Августин более полутора тысяч лет назад. Каждый из нас имеет свое ощущение времени, и это психологическое время у разных людей и у одного и того же человека в зависимости от обстоятельств идет по-разному. В некоторых ситуациях кажется, что время тянется мучительно медленно, в других – течет слишком быстро. Однако можно предположить, что течение «настоящего» времени не должно зависеть от нашего настроения.
Понятие «пространство» связано с протяженными телами. Тела находятся в пространстве. И это понятие наглядней и кажется более простым, чем «время», но и здесь есть свои трудности.
Простейшее изменение, происходящее в окружающем мире, - это движение, когда объект, оставаясь тождественным самому себе, перемещается из одного места в другое, и не случайно математическое описание реальности начиналось именно с описания движения. Когда мы говорим о движении, то подразумеваем движение в пространстве. Понятие «движение» соединяет между собой понятия «пространство» и «время», и часто они и связанные с ними проблемы рассматривались вместе. В физике эти два понятия слились в одно – «пространство-время».
Мысленно легко абстрагироваться от предметов, заполняющих пространство, и представить себе «чистое» (абсолютное – по терминологии Ньютона) пространство, в котором нет ничего. Точно так же можно абстрагироваться от конкретных процессов, протекающих во времени, и сформировать представление о «чистое» времени, о времени «самом по себе». «Абсолютное истинное, математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью» - определение, данное Ньютоном в его знаменитом труде «Математические начала натуральной философии». Пространство – это та арена, на которой происходят все явления окружающего нас мира, и они протекают во времени. Именно эти представления лежали в основе ньютоновской механики.
Но постепенно стало ясно, что такие абстракции, как «чистое пространство» и «чистое время», не могут быть предметом научного обсуждения. Точки «чистого пространства» не наблюдаемы. Они неотличимы одна от другой. Невозможно говорить о движении относительно абсолютного пространства, потому что утверждения о движении или покое непроверяемы.
С античных времен, однако, считали, что свойства «чистого» пространства правильно описываются специальной математической дисциплиной – евклидовой геометрией, которую до сих пор изучают в школе. Утверждения геометрии (теоремы) можно было непосредственно проверить. Например, рассматривая конкретные прямоугольные треугольники и измеряя их стороны линейкой, можно убедиться в правильности теоремы Пифагора. Но главным достоинством теорем считали то, что они не нуждаются в экспериментальной проверке, потому что они «доказываются». Геометрия создавала и поддерживала иллюзию того, что могут быть осмысленные, содержательные и «правильные» (проверяемые) высказывания о некоторых свойствах реального мира, полученные чисто умозрительно, иллюзию, которая веками укрепляла философию и метафизику в их поисках умопостигаемых истин.
Уверенность в том, что утверждения геометрии относятся к реальному пространству, была поколеблена лишь в середине 19 века, после создания неевклидовых геометрий (Лобачевский, Больяи и Гаусс). И нелегко и не сразу пришло осознание того, что теоремы геометрии как математической дисциплины не есть утверждения о свойствах реального физического пространства, в котором мы живем. Его свойства – предмет изучения физики, а не математики. Математик может работать с абстрактным пространством, потому что он сам наделяет его определенными свойствами. Физик имеет дело с миром, который существует сам по себе, и его свойства не могут быть установлены умозрительно.
Аналогичные проблемы возникают в связи с понятием «чистое» время. Оно ненаблюдаемо, а утверждения относительно его свойств «безотносительно к чему-либо внешнему» непроверяемы. Определение Ньютона не может быть положено в основу физического понятия времени. Что же такое время в физике?
В физике фигурирует величина, обозначаемая буквой t и называемая время. Для того чтобы соответствующие высказывания имели смысл, необходимо, чтобы эта величина была наблюдаемой, чтобы ей можно было однозначно приписать определенное числовое значение. Это достигается тем, что под переменной t понимаются показания часов. На глубокий философский вопрос: «Что такое время?» - физика дает разочаровывающий на первый взгляд ответ: «Время – это то, что меряется часами». Высказывания физики относительно времени – это высказывания относительно показаний часов. Они однозначны, осмысленны и проверяемы. И именно при таком подходе обнаружились свойства времени (реального, физического времени), которые нельзя было и заподозрить, сходя из абстрактного понятия «чистого» времени.
Здесь, конечно, возникает вопрос: «А что такое часы?» Не вводится ли тем самым новая абстракция? Не вводится. Часы – это некоторый реальный физический процесс, выбранный в качестве эталонного, по которому размечается течение всех прочих процессов. Не всякий процесс, конечно, можно использовать в качестве эталонного, но подходящие часы находятся у нас буквально под ногами – это Земля в ее суточном вращении. До недавнего времени именно вращение Земли было тем эталонным процессом, по которому задавалась переменная t под названием «время». Если время определять по вращению Земли, то следует положить
t=k*φ
Где k – некоторая константа, а φ - угол поворота Земли, определяемый астрономами по звездам. Если k = 240с/град, то время будет измеряться в секундах.
Примером другого процесса, задающего время, может быть радиоактивный распад. Ядра некоторых элементов распадаются со временем. Если N₀ - начальное количество атомов, а N – количество не распавшихся атомов к моменту времени t, то протекшее время определится по формуле
t=const lg(N0/N)
Таким путем устанавливают время в масштабах геологических эпох.
Чтобы некоторые процессы могли служить часами, необходимо, чтобы временные промежутки между несколькими событиями, измеренные разными часами, были пропорциональны друг другу. Тогда соответствующей градуировкой их показания можно сделать совпадающими. Именно это и позволяет считать, что часы измеряют одну и ту же величину – время.
Что касается реального пространства, то оно становится предметом физического рассмотрения тогда, когда вводится система отсчета. Это некоторое конкретное тело или совокупность тел, точки которых очевидно наблюдаемы. Измеряя расстояния между точками с помощью определенных физических процедур, можно установить свойства реального пространства.