2.1.4. Проблема пространства-времени
Субстанциальная и реляционная концепции пространства-времени. Исторически сложилось два подхода к пространству и времени.
Первый может быть назван субстанциальным. Пространство и время понимаются здесь как нечто самостоятельно существующее наряду с материей, как ее пустые вместилища. Все объекты мыслятся существующими в пространстве и во времени, причем последние имеют самостоятельное, независимое от первых существование. Пространство — это чистая протяженность, и время — чистая длительность, в которые как бы «погружены», «помещены» материальные объекты. Этот взгляд одним из первых высказал Демокрит: «...в действительности же существуют только атомы и пустота»[66]. Здесь пустота (т.е. «чистое» пространство) наделяется субстанциальностью и мыслится наряду с атомами как единственно существующее в действительности. Свое всестороннее развитие и завершение субстанциальная концепция пространства и времени получила у Ньютона и в классической физике в целом.Второй подход связан с реляционной (от лат. relatio — отношение) концепцией пространства и времени. Наметки ее можно обнаружить еще у Аристотеля, но впервые со всей четкостью она сформулирована Г. Лейбницем. «Я вовсе не говорю, — писал он, — что материя и пространство одно и то же, а лишь утверждаю, что без материи нет и пространства и что пространство само по себе не представляет собой абсолютной реальности»[67].
С позиций реляционной концепции пространству и времени можно дать следующее определение: «Пространство и время — общие формы координации материальных объектов и их состояний. Пространство — это совокупность отношений, выражающих координацию сосуществующих объектов, их расположение друг относительно друга и относительную величину (расстояния и ориентация); время — совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений), их последовательность и длительность»[68].
При этом субстанциальная и реляционная концепции не связаны однозначно с материализмом и идеализмом.
Здесь возможны любые сочетания.Основные свойства пространства и времени. Пространство и время как формы координации материальных объектов обладают свойствами, изучение которых сыграло выдающуюся роль в развитии физики. Этими свойствами являются трехмерность пространства, одномерность и необратимость времени, однородность и изотропность пространства и, наконец, однородность времени.
- Трехмерность пространства. Трехмерность пространства представляет собой эмпирически констатируемое фундаментальное его свойство, которое выражается в том, что положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин. Здесь существенно наличие именно независимых величин, а не конкретный их характер, ибо последний зависит от выбираемого познающим субъектом способа описания положения тел в пространстве (т.е. от используемой системы координат).
Наряду с понятием трехмерного пространства в науке широко используется понятие многомерного (я-мерно го) пространства, или п- мерного многообразия. И хотя в научной литературе понимание действительного смысла этого термина не вызывает сколько-нибудь значительных затруднений, тем не менее в околонаучной литературе нет недостатка в сомнительных спекуляциях вокруг «-мерных пространств.
На самом деле никакого четвертого, пятого и т.д. пространственного измерения, разумеется, нет; реальное пространство трехмерно, а понятие я-мерного пространства представляет собой типичный пример математического обобщения[69].
Понятие «-мерного пространства является математической абстракцией, позволяющей использовать ранее разработанный геометрический аппарат при изучении новых сторон действительности. Это не пустая фикция, а отражение действительности, но отражение не ее пространственных свойств, а самых разнообразных иных свойств, которые в определенном отношении оказываются как бы пространственно-подобными.
- Необратимость времени. В отличие от пространства, время одномерно и необратимо. Одномерность его означает, что для фиксации положения объекта (события) во времени достаточно одной величины — промежутка времени t, прошедшего от некоторого начала отсчета t = 0. Важнейшей чертой времени является его необратимость. Пространство «обратимо» в том смысле, что в любую его точку можно попасть и дважды, и трижды, и т.д. Во времени это невозможно — оно необратимо течет от прошлого через настоящее к будущему. То, что воспроизводится с помощью памяти, образует прошлое, а непосредственно переживаемое — настоящее. Отсюда рождается мысль вообще вывести направленность (необратимость) времени из особенностей нашего сознания.
Научный реалист не может согласиться с такой трактовкой вопроса. Исходя из объективности времени, и его необратимость надо выводить не из сознания, а из свойств объективных процессов. В макроскопических процессах эта необратимость находит свое отражение в законе возрастания энтропии. Этот закон утверждает, что в любой замкнутой системе энтропия никогда не убывает, она возрастает или в пределе остается постоянной. Процессы, в которых энтропия увеличивается, называются необратимыми, те же, в которых она остается постоянной, — обратимыми. Необратимость и обусловливает (выражает) физическую неэквивалентность двух направлений времени: прошлое и будущее различаются как состояния с соответственно меньшей и большей энтропией.
Для микромира вопрос о необратимости времени должен решаться на основе теории микропроцессов — квантовой механики. На первый взгляд кажется, что здесь оба направления времени равноправны. Действительно, основное уравнение квантовой механики — уравнение Шрёдингера — симметрично по отношению к изменению знака времени (как и основное уравнение классической механики — второй закон Ньютона). Но, как указывают Л .Д. Ландау и Е.М. Лифшиц, несмотря на эту симметрию, квантовая механика содержит в себе физическую неэквивалентность двух направлений времени, связанную с основным для нее процессом взаимодействия квантового объекта с классическим объектом (т.е.
системой, с достаточной точностью подчиняющейся классической механике). «...Если с данным квантовым объектом последовательно происходят два процесса взаимодействия (назовем их А и В), то утверждение, что вероятность того или иного результата процесса В определяется результатом процесса А, может быть справедливо лишь в том случае, если процесс А имел место раньше процесса б»1.Отмеченное обстоятельство и делает взаимодействие квантового объекта с классическим необратимым, приводящим к появлению различия между прошедшим и будущим.
3. Однородность и изотропность пространства и однородность времени. Однородность пространства означает равноправие всех его точек, отсутствие каких-либо выделенных точек; изотропность — равноправие всех возможных направлений; наконец, однородность времени проявляется в равноправии всех моментов времени.
Однородность пространства и времени и изотропность пространства выражают фундаментальные свойства мира и связаны с важнейшими законами физики — законами сохранения. В начале XX в. в работах ученых геттингенской школы Д. Гильберта, Ф. Клейна и Э. Нетер была сформулирована так называемая теорема Нетер, гласящая, что если свойства системы не меняются от какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. Поскольку независимость свойств от преобразования переменных означает наличие в системе симметрии относительно данного преобразования, постольку теорема Нетер может быть сформулирована как утверждение о том, что наличие в системе симметрии обусловливает существование сохраняющейся для нее физической величины, и наоборот.
Однородность пространства и времени и изотропность пространства как раз и означают инвариантность системы по отношению к определенным преобразованиям переменных: однородность времени — по отношению к сдвигам времени, т.е. к изменению начала отсчета; однородность пространства — по отношению к сдвигам в пространстве, т.е. к переносу начала координат; изотропность пространства — по отношению к повороту осей системы координат в пространстве. Отсюда вытекают наиболее фундаментальные законы сохранения: симметрии относительно сдвига времени (т.е. однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (т.е. однородности пространства) — закон сохранения импульса; симметрии относительно поворота координатных осей (т.е. изотропности пространства) — закон сохранения момента импульса (углового момента).