Современные представления о пространстве и времени

План:

1.      Предыстория

2.      Специальная теория относительности, релятивистские эффекты и геометрическая модель пространства-времени Г. Минковского

3.      Общая теория относительности: единство пространства, времени, материи и энергии

4.      К богословскому осмыслению феномена пространства-времени

5.      Список литературы

1.     Предыстория

Приступая к рассмотрению современных представлений о пространстве и времени в христианско-апологетическом аспекте, мы неизбежно должны затронуть интереснейшую предысторию вопроса.

На уровне умозрения уже эллинская античность в лице Пифагора, Платона и Аристотеля формирует фундаментальные представления о числе как структуре мироздания, геометрическом пространстве, времени, материи, относительности движения.

Отцом принципа относительности в физике считают Г. Галилея (Galileo Galilei; 1564–1642), впервые обратившего внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе (например, в каюте небольшого судна, плывущего вниз по течению спокойной реки), невозможно однозначно определить, покоится эта система или равномерно движется. Это положение было четко сформулировано в его известной работе «Диалоги о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой» (1632 г.).

Там же Галилей вводит понятие об инерциальной системе отсчета (ИСО). ИСО – система отсчета, в которой справедлив закон инерции: любое тело, на которое не действуют внешние силы, или действие этих сил компенсируется, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Всякая система отсчета, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно (например, другое судно или берег, относительно плывущей лодки), также является ИСО. Согласно принципу относительности все ИСО равноправны, и все законы физики неизменны (инвариантны) относительно перехода из одной ИСО в другую. Это значит, что проявления законов физики в них выглядят одинаково, и записи этих законов имеют одинаковую форму в разных ИСО. Галилею принадлежит приоритет и в формулировании математических правил преобразования, позволяющих переходить от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Однако кроме ИСО существует множество систем неинерциальных, т.е. двигающихся с ускорением, торможением или вращением. Таким образом, неизбежно встает вопрос об «эталоне», позволяющем отличать указанные системы от систем покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно (ИСО).

В XVII в. И. Ньютон (Sir Isaac Newton; 1642–1727) в своем фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии» (1684–1686 гг.) дает определения этих «эталонов» – абсолютного времени и абсолютного пространства.

«I. 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.

II. Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным».

Иначе говоря, время – это протекающая всегда неизменно и равномерно универсальная длительность любых процессов во Вселенной, а трехмерное эвклидово пространство – универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. С точки зрения этой концепции абсолютные пространство, время и материя представляют три независящие друг от друга сущности.

Будем помнить, что великий английский физик был также и богословом, поэтому, говоря о фундаментальных, абсолютных категориях, он не мог в данном контексте не коснуться вопроса о Боге. Согласно логике рассуждений Ньютона, Господь творит мир в абсолютном времени и абсолютном пространстве, которые являются божественными атрибутами (как вечность и вездесущие) и одновременно средствами познания Самим Богом сотворенных Им вещей. Такой образ мысли, безусловно, явился отходом от святоотеческого понимания творения мира «из не сущих» (2 Мак. 7:28), вновь порождая вопросы, подобные задаваемым еще в IV веке блаженному Августину: «Что делал Господь до сотворения мира и где Он находился?».

В повседневной жизни человек, согласно И. Ньютону, пользуется относительными (кажущимися, обыден­ными) понятиями пространства и времени. Относительное время употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Оно измеряется циклическими процессами (например, год, месяц, час, минута).Относительное пространство – ограниченная подвижная часть, которая в обыденной жизни принимается человеком за пространство неподвижное (например, «нулевой километр» на Красной площади в Москве, планета Земля, Солнечная система).

Разумеется, подобные построения не всеми принимались. Оппонентом Ньютона стал немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц (Gottfried Wilhelm von Leibniz; 1646– 1716), полагающий, что пространство и время не являются сами по себе независимым сущностями. Они не предваряют материю в творении, а порождаются самими сотворенными вещами как их соотношение. Положение объекта в пространстве и времени имеет смысл лишь только в сравнении с другим объектом, таким образом, они есть лишь «словарь для разговора» о конкретных материальных вещах. Если бы Богом были сотворены другие предметы, соответственно, был бы другой порядок, другое время и пространство. Однако концепция Ньютона господствовала целых два века, пока физики не пришли к выводу, что в вопросе о сущности времени и пространства ближе к истине был все-таки Лейбниц.

Уже в середине XIX в., когда была создана теория электромагнитного поля Дж. Максвелла (James Clerk Maxwell; 1831–1879), остро встал вопрос о замене «классических» абсолютного пространства и времени относительными. Между классиче­ской механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла возникли серьезные противоречия. В механике продолжал господствовать классический принцип относительности Галилея, утверждавший равноправность всех инерциальных систем отсчета. А в электродинамике господствовала концепция эфира – ненаблюдаемой среды, заполняющей ми­ровое пространство, являющейся абсолютной системой коор­динат.Согласно теории выдающегося голландского физика Х. Лоренца (Hendrik Antoon Lorentz; 1853–1928) эфир находится в абсолютном покое, а все электромагнитные и оптические явления зависят только от относительного движения материальных тел в эфире. Как выяснилось, скорость распространения электромагнитных волн, в т.ч. света в вакууме, не зависит как от скоростей движения источника этих волн, так и наблюдателя и является постоянной величиной (константой). Экспериментально постоянство скорости света было подтверждено серией опытов в 1887 г. американскими физиками А. Майкельсоном (Albert Abraham Michelson; 1852–1931) и Эдвардом Уильямсом Морли (1839– 1923).

Это явно входило в противоречия с классической механикой, где скорости движения складываются. Если человек идет по вагонам по ходу поезда со скоростью 5 км/ч, а сам поезд движется со скоростью 70 км/ч, то скорость прогуливающегося пассажира относительно земли будет 75 км/ч. То же самое, согласно классическому закону сложения скоростей, должно происходить и со светом, но экспериментальные данные неумолимо свидетельствовали о постоянстве (инвариантности) скорости света.

Решая проблему несоответствия классической механики и электродинамики, Х. Лоренц в 1904 г. вывел математические уравнения для вычисления реальных сокращений размеров движущихся тел (т.н. лоренцево сокращение) и промежутков времени между событиями, происходящими в этих телах (изменения ритмов процессов) в зависимости от скоростей движения.

К проблемам, рассмотренным Лоренцем, обратился французский математик и физик Анри Пуанкаре (Jules Henri Poincaré; 1854–1912). В 1905 г., исходя из принципа относительности, он уточнил формулы Лоренца, которым и дал название преобразования Лоренца.

Ранее, в 1898 г., французский исследователь занялся вопросом измерения времени в контексте ключевого понятияодновременности событий. Пуанкаре, пожалуй, первым в научном мире обратил внимание на различие между психологическим временем и временем физическим. В связи с этим ученый отмечал две трудности:

1. можно ли преобразовать психологическое время, которое является качественным, в количественное;

2. можно ли измерить одной и той же мерой факты, которые происходят в различных сознаниях?

Что касается первого затруднения, то для его разрешения Пуанкаре разбирает ряд, казалось бы, очевидных вещей, не нуждающихся в глубоком анализе. Пуанкаре приходит к удивительному результату: качественное, психологическое время мы преобразуем в количественное, физическое, руководствуясь не правильностью способа измерения, а лишь удобством. На этом нюансе Пуанкаре делает акцент. По умолчанию мы принимаем те условия измерения, которые не порождают дополнительных трудностей в расчетах, и «закрываем глаза» на сопутствующие факторы, малозначительные, но объективно существующие. Не существует «абсолютного» способа измерения времени; тот, который принимается, является лишь более удобным.

Второе затруднение, связанное с применением некоего эталона измерения к разным сознаниям, упирается в установление причинно-следственной связи между двумя явлениями. Но сложности имеют место даже с пониманием того, что есть причина!

Психологически причину мы связываем со следствием посредством все того же времени. То, что предшествует по времени, мы и называем причиной. Мы слышим гром и заключаем, что имел место предшествующий по времени электрический разряд (вывод делаем на основании существенной разницы между скоростью света и скоростью распространения звука). Разряд мы считаем причиной предшествующей, а звук – следствием. Но все ли факты укладываются в эту схему?

Пуанкаре описывает одно астрономическое событие. В 1572 г. датский астроном Тихо Браге(Tycho Brahe; 1546–1601) обнаружил в небе появление новой звезды. Взрыв огромной силы произошел на каком-то очень удаленном небесном светиле, но произошел много раньше, и потребовалось, по меньшей мере, 200 лет, прежде чем свет от этой звезды дошел до Земли. Следовательно, взрыв этот, как физическое явление, предшествовал открытию Америки. Но является ли этот взрыв причиной открытия Америки, пусть даже причиной опосредованной? Очевидно, нет.

Утверждать это мы можем только на основании некоторого допущения, считал Пуанкаре. Именно по некоторой договоренности мы принимаем в качестве постулата постоянную и одинаковую во всех направлениях скорость света. На основании этого постулата, зная скорость света и зная расстояние до звезды, мы можем определить, как долго шёл световой сигнал от новообразованной звезды до Земли. Таким образом, допущение этого постулата, а не психологически воспринимаемая последовательность явлений устанавливает, согласно Пуанкаре, истиннуюпричинно-следственную связь между событиями.

Скорость распространения электромагнитной волны является постоянной величиной (константой) и максимально возможной из известных современной науке скоростей распространения каких-либо физических взаимодействий. Тем самым скорость света определяет причинно-следственную связь между физическими явлениями. Причинно-следственная связь имеет место (прямо или опосредованно) при условии, если электромагнитное возмущение, производимое первым событием (например, световая волна), распространяясь в пространстве, достигнет места второго события не позже времени его начала. Величина расстояния и визуальный контакт роли не играют.

Предположим, что ученые получают сигналы и фотоснимки с радиотелескопа «Хаббл». Допустим, это стало причиной созыва научной конференции, во время проведения которой массовость участников вызвала затруднение транспортного движения в городе. Очевидно, что съёмка «Хабблом» звездного неба и дорожная «пробка» – события взаимосвязанные, хотя сам спутник находится на околоземной орбите и водители такси об этих снимках могли вовсе ничего не знать. Но взрыв, приведший к образованию звезды и зафиксированный Тихо Браге в 1572 году, никакого физического воздействия на открытие Америки оказать не мог, хотя и произошёл на самом деле раньше 1492 года по местному времени Земли. В 1492 году по земным меркам фронт световой волны был еще слишком далек от Земли. Эти два события не связаны причинно-следственными отношениями.

В обоих рассмотренных случаях мы отмечаем особую взаимосвязь двух физических параметров: расстояния и времени. Тем не менее, в одном случае отмечается причинно-следственная связь, в другом – нет. В чем причина?

Классическая механика имеет дело с преобразованиями Галилея. Основной образ классической механики – движущееся твердое тело – характеризуется неизменным расстоянием между точками. Трехмерная классическая (эвклидова) геометрия описывает пространственные свойства движущихся абсолютно жестких систем, тел, неизменных по размерам и взаимодействующих друг с другом мгновенно, оперирует понятиями абсолютного неизменного (инвариантного) трехмерного пространства и совершенно независимого от него течения времени. Преобразования Лоренца, определяемые как сокращение линейных размеров в направлении движения и соответствующее изменение действующих сил, вступают в противоречие с классическими представлениями – старой научной парадигмой.

Теоретические исследования Лоренца и анализ природы времени, выполненный Пуанкаре, продемонстрировали и то, что время не имеет абсолютного и обособленного от пространства значения. Устанавливая геометрический интервал в пространстве между двумя физическими событиями, мы непременно должны учитывать и разницу во времени, обусловленную конечной скоростью распространения электромагнитной волны. В противном случае сопоставление физических явлений (причинно-следственная связь) может не иметь физического смысла.

 «Свет всегда движется со скоростью света. …Что произойдет, если пуститься в погоню за светом, двигаясь при этом со скоростью света? Интуиция, основанная на законах движения Ньютона, подскажет, что мы догоним световые волны, и они будут казаться нам неподвижными, свет как бы остановится. Но согласно теории Максвелла и не вызывающим сомнения экспериментальным данным, такого явления, как неподвижный свет, попросту не существует – никому и никогда не удавалось держать на своей ладони неподвижный луч света. Отсюда возникает парадокс», – заключает современный американский физик Б. Грин (Brian Greene).