Карпенко Владимир Никитович


Пространство и время.

Ретроспективный и современный взгляды на проблемы. 

Доклад на VII Международной научной конференции "Пространство, время, гравитация",
состоявшейся 19-23 августа 2002г. в г. С-Петербурге
.

 

Важнейшей составной частью картины мира в целом являются понятия пространства и времени. В ходе развития естествознания эти понятия конкретизируются и углубляются.

Сущность пространства и времени волновала мыслителей с глубокой древности, порождая множество концепций и их разновидностей. Эти концепции впоследствии явились предметом отдельных научных исследований. Мы же кратко остановимся на двух, наиболее характерных и всеобъемлющих - атомизме Демокрита и континуальной системе Аристотеля. Учение Демокрита, развитое его последователями Левкиппом, Эпикуром и др., является вершиной античной натурфилософии. Согласно этому учению, все сущее состоит из мельчайших частиц материи - атомов, движущихся в пустом однородном и бесконечном пространстве. Причем, пустота не наделялась метрическими свойствами, так как это было "небытие". В отличие от материи ("бытия"), обладающей этими свойствами (протяженности и т.п.).

В соответствии с атомистической концепцией Демокрита решалась проблема времени и движения. Так Эпикур, развивший и приведший учение Демокрита в стройную систему, считая, что в процессе перемещения атомы проходят "один атом" пространства за один атом "времени, что обуславливает" существование некой фундаментальной скорости движения [1].

Тем не менее, вопросы, связанные с понятием времени, были разработаны весьма слабо. Фактически время рассматривалось атомистами, как субъективное ощущение действительности.

Концепция Аристотеля, отрицавшая атомизм Демокрита, была менее последовательной в понимании пространства и времени. Полемизируя с атомистами, он доказывает отсутствие делимости времени. А анализируя взаимосвязь времени и движения приходит к выводу, что время немыслимо вне движения, хотя и не сводится к нему. Само движение дает метод измерения времени. Это осуществляется с помощью периодического движения небесной сферы [2]. Аристотель писал, что "время измеряют простым и наиболее быстрым движением, поэтому в учении о небесных светилах… в основу кладется равномерное и наиболее быстрое движение - движение неба и по нему судят обо всех остальных" [2]. Т.е. фактически признается существование универсального времени. Однако это нивелируется идеей Аристотеля о перводвигателе, который будучи абсолютно неподвижным, задает динамику мира и "движет неограниченное время" [2].

Что касается пространства, то будучи противником пустого пространства, Аристотель создал концепцию пространства, как места занимаемого вещами. Хотя на поверку оказывается, что это та же пустота (топос), но занятая материей. Но были и существенные отличия. Пустота Демокрита - бесконечна, а пространство Аристотеля конечно, так как сфера неподвижных звезд его модели мира пространственно замыкает космос.

Кроме того "место" у Аристотеля, в отличие от пустоты имеет еще и активное начало - силу, под действием которой тело движется к своему собственному месту. Это обстоятельство и определило специфику, созданной на качественном уровне динамики Аристотеля. Положив в основу некоторые идеи Аристотеля и Декарта, развив и дополнив их, А. Лейбниц в 17 в. создал свою концепцию пространства и времени. Она состояла в отказе от представлений о пространстве и времени, как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от них. Это было учение об относительности пространства, времени и движения.

Однако концепция Лейбница не сыграла существенной роли в физике 17-19 вв. Просто она не смогла конкурировать с обновленной концепцией Демокрита, развитой Ньютоном в связи с разработкой им основ динамики.

Согласно Ньютону, освободившему старую концепцию от антропоморфизма, пространство и время - начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Пространство (абсолютное пространство) есть пустое, "вместилище тел", абсолютно неподвижное, непрерывное, однородное и изотропное, проницаемое. Оно не воздействует на материю и не подвергается ее воздействиям. Оно бесконечное и имеет три измерения. В отличие от абсолютного пространства протяженность есть основное свойство тел, благодаря которому они занимают определенные места в нем, совпадают с этими местами.

Протяженность, если иметь в виду простейшие частицы (атомы), есть начальное, первичное свойство, не требующее объяснения. Абсолютное пространство неизмеримо и непознаваемо, вследствие неразличимости своих частей. Расстояния между телами их положения можно определить только по отношению к другим телам. Т.е. мы можем иметь дело только с относительным пространством.

Время, по Ньютону, нечто абсолютное, ни от чего не зависящая чистая длительность, равномерно текущая от прошлого к будущему. Это пустое вместилище событий, которые могут его заполнять или не заполнять. На течение времени ход событий не влияет. Время универсально, непрерывно, однородно, одномерно, бесконечно. В отличие от абсолютного времени (также неизмеримого), есть относительное время. Измерение времени производится с помощью часов, использующих периодические движения.

Расстояние между двумя точками и промежуток времени между двумя событиями сохраняют свои значения независимо друг от друга в любой системе отсчета. Отношения этих величин (скорости тел) могут быть любыми.

Учение Ньютона господствовало в естествознании в течение 17-19 вв., ибо соответствовало науке того времени - классической механике, евклидовой геометрии, классической теории тяготения. Следует добавить, что законы ньютоновской механики выполняются только в инерциальных системах отсчета. А это системы, движущиеся поступательно, равномерно и прямолинейно по отношению к абсолютному пространству и времени.

Теория тяготения Ньютона основывалась на дальнодействии, которое передавалось через пустое пространство мгновенно.

Таким образом, концепция, разработанная Ньютоном вписалась в тогдашнюю картину мира, где материя рассматривалась как изначально протяженная и неизменная по своей природе. Однако существенным ее недостатком была непознаваемость пространства и времени путем опыта.

Тем не менее, концепция была открыта для совершенствования и дальнейшего развития. Поэтому теперь, когда историки науки говорят о накоплении в 19 в. фактов, показывающих ограниченность физических представлений того времени - диву даешься. А что конкретно было сделано для развития концепции в свете этих новых фактов? Рассмотрим эту ситуацию подробнее, и что это за такие факты. Исключая догматический подход к учению Ньютона о пространстве и времени, выясним, были ли объективные причины во второй половине 19 в. для его пересмотра.

Прежде всего, отметим бурное развитие учения об электричестве, магнетизме и связанных с ними наук. В физику вошло понятие о поле, как особом виде материи, исключающем дальнодействие при взаимодействии между телами. Теория электромагнетизма Максвелла, теория электронов Лоренца и др. были очень серьезными и плодотворными усилиями в деле построения единой непротиворечивой физической картины мира. В физику начало входить понятие эфира.

Концепция эфира, рассматривающая последний как арену электромагнитных взаимодействий в глобальном масштабе, напрямую затронула вопрос о понимании пространства. Эфир или отождествлялся с абсолютным пространством Ньютона или являлся "начинкой" его "пустого вместилища".

Теории Максвелла и Лоренца были фундаментальными, но не лишены ошибок, что вполне естественно для новых разработок. Требовалось время для их понимания, а затем и устранения, но история физики распорядилась иначе. События физики в конце 19-го - начале 20-го веков развивались стремительно.

Совпадение скорости распространения электромагнитных волн Максвелла со скоростью света имело далеко идущие последствия для дальнейшего развития физики, так как рассматривалась как подтверждение волновой теории света, а значит и электромагнитного излучения вообще. Разработка корпускулярной теории излучения, несмотря на появление все новых экспериментальных фактов, ее подтверждающих, была фактически приостановлена [3].

А раз свет, это волны в неподвижном эфире, то возникла идея определения скорости движения Земли относительно этого эфира. Такой опыт был поставлен Майкельсоном в 1881г. Рассчитанным, исходя из волновой теории света, он рассматривался в то время как experimentum crucis. Но когда был получен отрицательный результат, свидетельствующий о справедливости корпускулярной теории излучения, об этом попросту забыли. Ведущие ученые буквально бросились спасать волновую концепцию излучения [4]. Ситуация в физике была признана кризисной. Небезынтересно заметить, что в основе кризиса как раз и лежало ложное понимание природы света. Кроме отрицательного результата опыта Майкельсона, серьезную озабоченность "волновиков" вызывала "ультрафиолетовая катастрофа" - несоответствие их теории распределения энергии по частотам в спектре абсолютно черного тела.

Выход из кризиса стали видеть в пересмотре пространственно-временных представлений, сохраняющем хотя бы в неявном виде волновую концепцию света (излучения). Такую миссию и выполнила, появившаяся в 1905г. теория относительности А. Эйнштейна (ТО). Это ясно из двух основополагающих постулатов: о независимости скорости света (заметьте - в пустоте!) от движения его источника (что характерно для волн в среде), и о равноправии всех инерциальных систем отсчета в отношении физических закономерностей. Второй постулат, в частности, означал распространение принципа относительности Галилея на электромагнитные явления.

Но суть ТО определяют не эти два постулата, а некий третий, являющийся фактически гипотезой - об относительности одновременности в разных инерциальных системах отсчета. Изначально этот скрытый постулат носит субъективный характер. Ибо операцию синхронизации часов в движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчета (ИСО) осуществляемую неким наблюдателем с помощью световых сигналов, Эйнштейн возводит в принцип. Такой же подход применен им и в отношении измерения длин (масштабов). Как следствие приведенных процедур, ход (ритм) часов различных ИСО оказался различным.

П. Бергман, хорошо исследовавший эту проблему в своей книге [5], пишет: "Часы, покоящиеся относительно наблюдателя, кажутся ему идущими с наибольшей скоростью. Если они движутся относительно наблюдателя со скоростью v, их ход кажется ему замедленным в , раз.

Твердое тело кажется сокращенным в направлении движения пропорционально множителю , в то время как размеры в перпендикулярных направлениях остаются неизменными".

Т.е. речь идет о кажущихся эффектах, с объективной реальностью не имеющих ничего общего. Рассмотрим ИСО S и S¢, движущиеся относительно друг друга со скоростью v. Если S рассматривать неподвижной, то в S¢ время, согласно Эйнштейну, замедляется. Если же неподвижной рассматривать систему S¢, то время в такой же пропорции замедляется в S. Т.е. время в обоих системах, благодаря мысленным манипуляциям Эйнштейна, оказалось умноженным на один и тот же множитель , что эквивалентно его неизменности .

Именно поэтому пресловутый пространственно-временной интервал (строго говоря, не являющийся таковым)

, (1)

оказался инвариантом в разных ИСО.

(с=const, а t, как и у Ньютона - неизменно).

Из сказанного ясно, что никакой революции в понимании пространственно-временных отношений ТО не сделала. Более того, не будучи своевременно отвергнутой - пустила естествознание 20-го века по ложному пути. Это было заблуждение века, как сказано в работе автора [4].

Но вернемся к предмету данной статьи. Абстракцией реального пространства является геометрия Евклида, а время является независимой сущностью. Все это положено в основу концепции Ньютона. Естественно, концепции Эйнштейна нужно было найти соответствующую геометрию. Такую геометрию и разработал Г.Минковский. Это была геометрия 4‑мерного пространства-времени, названного его именем. К тому времени уже была создана геометрия многомерных пространств, как дальнейшее обобщение 3-мерного пространства Евклида. Естественно и закономерно, что в этих пространствах (в том числе и 4-мерном), инвариант DS2 определяется положительно квадратичной формой координат. Инвариант же Эйнштейна (1) определяется, как видим, знакопеременной квадратичной формой. Т.е. математически абстрактно, если бы даже реально существовало 4-мерное пространство‑время - ТО этого не отражала. А все потому, что время даже математически не удалось "прицепить" к евклидовому пространству в качестве 4-го измерения. Даже Минковскому. К тому же инвариант его пространства имеет вид:

.

Т.е. он с обратным знаком соответствует инварианту (1).

С учетом вышесказанного, об евклидовости пространства-времени Минковского не могло быть и речи. Его стали называть псевдоевклидовым. В еще большей степени приставка псевдо-, означающая нечто нереальное, относится к пространству-времени Эйнштейна (в нем ), а значит и ко всей его ТО.

Основу любой физической теории наряду с обыкновенными закономерностями составляют пространственно-временные представления.

Изыскания Минковского, справедливо называют геометрической интерпретацией ТО Эйнштейна. Не более. И хотя это был новый шаг в развитии абстрактной геометрии, к реальной физической концепции пространства-времени он не имел, по указанным выше причинам.

Тем не менее, Эйнштейн пошел дальше. В созданной им общей теории относительности (ОТО) он принял в качестве одного из ее оснований гипотезу об искривлении тяготеющими массами его 4-мерного пространства-времени. Вот почему он обратился к римановой геометрии, представляющей собой многомерное обобщение геометрии на поверхности. Эта геометрия рассматривает пространства, где в малых областях с точностью до малых высшего порядка, имеет место евклидова геометрия. Соответственно и метрика этого (абстрактного!) пространства определяется положительной квадратичной формой

, (3)

Эйнштейн же требование евклидовости в малом заменил требованием справедливости в малом его 4-мерного пространства-времени с метрикой, определяемой знакопеременной квадратичной формой (1). Таким образом, пространство-время в ОТО стало даже не римановым, а псевдоримановым (благодаря (1)), а значит еще более далеким от физической реальности (опять это "псевдо"!).

Вышесказанного достаточно, чтобы признать концепцию 4-мерного пространства-времени Эйнштейна несостоятельной вместе с ТО и ОТО.

Таким образом, обещанного пересмотра наших пространственно-временных представлений не состоялось. Зато развитие физики затормозилось из-за господства ТО и ОТО, минимум на столетие.

К сожалению, до сих пор многие ученые не поняли, что пока экспериментальная физика не дает нам оснований для такого пересмотра. Хотя идет непрерывный теоретический поиск. Самые экзотические новые концепции и теории пространства-времени не подтверждаются экспериментально. Концепция Ньютона остается, но ее развитие неизбежно. Особенно это касается пустого абсолютного пространства. Уже в 19 веке развитие учения об электричестве и магнетизме показало, что здесь не все так просто. Введение понятия поля, как вида материи, показало, что окружающее нас пространство является структурой, более сложной, чем вместилище отдельных вещественных объектов.

Что такое поле, введенное в теорию электрических и магнитных явлений под давлением экспериментальных фактов? Какое отношение оно имеет к абсолютному пространству Ньютона? Эти вопросы своевременно начали разрабатываться в физике 19 века. На многие вопросы могла дать концепция эфира, активно разрабатываемая в 19 в Максвеллом, Лоренцом и др. учеными. Сейчас можно только предполагать, к каким успехам в развитии физики могло привести развитие этой концепции. ТО Эйнштейна с порога отвергла эфир, признав существование абсолютно пустого пространства, а став господствующей в физике, фактически приостановила разработки в этой области почти на столетие.

Тем не менее, под давлением экспериментальных фактов эфир "всплыл" в квантовой теории поля в новой ипостаси - в виде некой среды - физического вакуума. Однако его описание в терминах квантовой теории настолько расплывчато и неконкретно, что фактически дальше констатации факта его существования дело не идет. А все потому, что как уже говорилось, в конце 19 века был не кризис физики вообще, а кризис волновой теории электромагнитного излучения. ТО Эйнштейна понималась как объяснение отрицательного опыта Майкельсона 1981 г. Значит волновая теория излучения оставалась в силе. Неудивительно поэтому, что после открытия М. Планком квантов (тем самым разрешившего "ультрафиолетовую катастрофу"), положение не изменилось. А ведь это было прямое подтверждение корпускулярной теории излучения! Да, волновую механику переименовали в квантовую, но сами же кванты начали отождествлять с волновыми пакетами и т.п. - в духе волновой теории. Но самое опасное для физики заключалось в том, что если излучение - это волны, порождающие такие волновые образования (пакеты) как кванты, то о какой структуре самого кванта может идти речь? Просто, модельный подход в принципе чужд любой квантовой (читай - волновой!) теории. Это только в рамках подлинно квантовой (корпускулярной) теории можно до бесконечности, исходя из опыта, строить структурные модели этих самых квантов. А так, квантовые теории буквально утонули в ворохе неадекватной терминологии, вроде, квантовых чисел, всевозможных "состояний", виртуальных (опять это "псевдо", но уже в виде его синонима) частиц.

Можно смело сказать: в терминах квантовой теории невозможно описать физический вакуум адекватно. Здесь нужен подход классической физики, использование наработок и разработок как до-, так и пострелятивисткого периода. А период этот, исподволь, уже наступил. Несмотря на неприятие официальной наукой, все больше ученых-энтузиастов работает по проблеме физического вакуума в духе классической физики. К сожалению, в настоящее время это называется нетрадиционной или альтернативной физикой.

В заключение, следует отметить еще раз, что концепция Ньютона является открытой для развития и совершенствования. Уже сам факт введения в физику понятия материального поля исключило ньютоновское дальнодействие при взаимодействии тел. Речь идет о гравитационном поле, природа которого до сих пор не была раскрыта. Автор в своем докладе "О решении проблемы гравитации" на научной Конференции-2002 в г. Санкт-Петербурге дает это решение, раскрыв и объяснив природу гравитации, исходя из известных законов классической физики и реальности физического вакуума[6].

О природе физического вакуума, о взаимосвязи с пространством и временем - в последующих работах автора.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1.      Секст-Эмпирик. Сочинения, т.2, М., 1976.

2.      Аристотель. Сочинения, т.3, М., 1981

3.      Карпенко В.Н. Подтверждение корпускулярной концепции строения света в физике 19-20 веков. Физический смысл постоянной Планка. Сб. Актуальные проблемы естествознания начала века. С-Пб., Анатолия, 2001.

4.      Карпенко В.Н. Теория относительности А. Эйнштейна как несостоявшаяся гипотеза или заблуждение века. Сб. Проблемы естествознания на рубеже столетий. С-Пб., Политехника, 1999.

5.      Бергман П.Л. Введение в теорию относительности. М., 1947.

6.      Карпенко В.Н. О решении проблемы гравитации. Доклад на VII Международной научной конференции "Пространство, время, тяготение" (19-23.08.2002г.) С-Пб., Россия.

 

19 января 2002г. г. Днепропетровск

 
Карпенко Владимир Никитович
49127, г. Днепропетровск (Украина),
ул. 20лет Победы, 5, кв. 23.

Вернуться к списку статей